离心压气机理论-第一部分-2010

和轴流式叶轮机械相比，在相同的转速和质量流量情况下，径流叶轮机械具有较高的比功传输能力；而在另一方面，由于气体在径流式叶轮中要改变流动方向，这就产生比轴流式叶轮机械中更加强烈的二次流动。径流式叶轮机械的展弦比也低一些，产生的摩擦损失也大一些，导致径流式叶轮机械的流动损失大于轴流式叶轮机械的流动损失。离心压气机概述早期燃气轮机，由于循环压比比较低，一般都在6左右，只需要一级离心压气机就能满足要求。随着要求的不断提高，燃气轮机的循环压力也在不断提高，这样离心压气机一级产生的压比不能满足要求，必须采用多级离心压气机。随着要求的不断提高，燃气轮机的循环压力也在不断提高，这样离心压气机一级产生的压比不能满足要求，必须采用多级离心压气机。多级离心压气机的采用，除了会使气路变得更加复杂以外，还会使燃气轮机的尺寸加大，重量增加。由于多级离心压气机存在上述缺点，使得设计人员在高循环压比的燃气轮机上都选择轴流式压气机。离心压气机概述离心压气机概述自二次世界大战以来，各国都投入大量人力和物力对轴流压气机进行研究。这种努力一直延续到现在，以致于目前研制的轴流压气机效率经常高于涡轮效率－尽管压气机的设计难度远大于涡轮设计难度。虽说轴流压气机效率比离心压气机要高一些，但在直升飞机、小型飞机、汽车上使用的燃气轮机动力装置、以及辅助动力装置依然使用离心压气机。离心压气机概述涡轮增压器是径流式叶轮机械应用的最为广泛的一个领域。如果说燃气轮机是改进叶轮机械设计和制造技术的驱动力，那么涡轮增压技术和涡轮增压器的广泛使用为径流式叶轮机械的发展提供了广阔的市场。废气涡轮增压的设想首先由瑞士人波希在1905年提出，当时获得了德国和美国的专利。1911年波希在单缸机上首次完成涡轮增压的台架试验。1925年，波希又提出了脉冲增压的设想。到1940年代，涡轮增压在船用和陆用大型发动机上得到了大量推广使用。直到1950年，涡轮增压器才在大型柴油机上得到广泛使用。离心压气机概述目前，工业发达国家对大、中功率的柴油机几乎全部实现了增压，至于车用柴油机中也有70％以上采用了增压技术。在车用汽油机中，有的公司的增压机型已达到30％左右。几十年的发展历史有力地表明涡轮增压是提高发动机功率和改善经济性的最有效的措施，也是发动机强化的必然途径，它已成为当前内燃机发展的重要方向。涡轮增压器中两个关键部件是压气机和涡轮。离心压气机则是涡轮增压器中首选的进气增压方式。离心压气机概述离心压气机应用实例-过程压缩机图1过程压缩机流程草图进口导叶的主要作用是建立工质的入口流动角，以便在转子的入口产生一个预旋。叶轮通过绕轴高速旋转，产生一个很高的周向速度而对工质作功。弯曲通道的主要作用是引导工质进入回流通道。回流通道称为消除旋转导流叶片，因为在扩压器出口存在着一个很高的速度环量。可以在下一级叶轮前加上导叶，以保证工质进入叶轮的流动方向。离心压气机概述离心压气机应用实例-径流式压缩机和鼓风机图2高压头径流鼓风机图3一台离心压气机实际结构图离心压气机概述离心压气机应用实例-过程压缩机图4多级过程离心压缩机结构图离心压气机概述离心压气机应用实例-涡轮增压器图6一种典型的车用涡轮增压器离心压气机概述离心压气机应用实例-涡轮增压器图7一台径流压气机轴流涡轮增压器图8早期的径向式叶轮离心压气机概述离心压气机应用实例-涡轮增压器图9后弯式离心压气机叶轮图10先进的离心压气机叶轮-前倾后弯式叶轮离心压气机概述离心压气机应用实例-涡轮增压器离心压气机概述离心压气机应用实例-燃气轮机图11用于直升飞机上的小型燃气轮机离心压气机概述离心压气机应用实例-辅助动力图12使用离心压气机和向心透平的微型燃气轮机MTR390-2C直升机发动机MTR390主要参数主要特点：•模块化设计•较低油耗•重量轻装有涡轮轴发动机的武装直升机涡轮轴发动机涡轮轴发动机涡轮轴发动机涡轴/涡浆发动机燃气发生器的技术特点•离心式和混合(组合式)压气机•回流环形燃烧室和折流环形燃烧室•涡轮发动机型号压气机结构形式空气流量/(kg/s)总增压比T700-GE-701A5级轴流+1级离心5.3017.00RTM322-013级轴流+1级离心5.7314.72TM3191级离心1.608.0-8.30MTR3902级离心3.2-3.413.14“宝石”604级轴流+1级离心4.214.38T800-LHT-8002级离心4.015.00若干现代涡轮轴发动机压气机结构型式、流量、压比为什么采用离心压气机？因为单级压比大，由于流量小，可以保证出口端压气机末级叶片高度在合适的范围内，不会过小。250-C30M涡轴发动机单级压气机压比高达8.6MTR390，双级离心压气机Гтд1250燃气轮机纵剖面Гтд1250燃气轮机性能输出功率920kw输出轴转速3150r/min压比10.5空气流量4.3kg/s高压涡轮进口温度1260k燃油消耗率306g/kw·h离心压气机发展现状目前用于航空领域的这种压气机单级压比能够达到8。一些离心压气机叶轮使用钛合金作为原料。对离心压气机的研究一直集中在如何设计出高性能的问题上，尤其对于航空领域更是努力研究设计高性能离心压气机的方法。图14和15取自凯利(Kenny，1984)发表的论文，这两张图给出了压气机目前所能达到的性能指标以及这些指标在近几十年内的变化过程。2345678910110.700.750.800.850.90P&WC1980P&WC1982Kongsberg1983NoelPenny1982Garrett1979Allison1974Garrett1972总对静效率总对静压比图中效率对应的是有11%喘振裕度下的效率图14飞机燃气轮机上使用离心压气机的发展1900192019401960198020000246810121416W-1Boeing502JT15D250C-30PWC209&319PWCPWCPWC&BoeingBoeingBoeingWhittle&VonOhainTurbochargerElling压比年代图15离心压气机每一级压比提高进展离心压气机发展现状凯利发现在过去的20年里，离心压气机效率大约以每年0.67%的速度稳步提升。这两张图上的大部分点是加拿大普惠公司在发展航空发动机上使用的离心压气机的试验数据，这些小型离心压气机的空气流量都在1kg/s2kg/s范围内。离心压气机发展现状图16给出了具有不同压比和流量的离心压气机与效率之间的关系曲线，从这张图可以看出离心压气机的工作范围比较宽广，这张图是在对很多压气机进行实验的基础上获得的。图中给出的等质量流量线是有限的，对其他等质量流量线可通过插值获得。从这张图中可以观察到的一个现象是，在质量流量不变情况下，效率随压比增加而迅速下降。离心压气机发展现状为了方便，定义离心压气机的主要特征截面有：00表示压气机的进口截面；11表示进气道和工作轮进口的交界面；22表示工作轮出口和无叶扩压器进口的交界面；33表示无叶扩压器出口和叶片扩压器进口的交界面；44表示叶片扩压器喉部截面；55表示叶片扩压器出口和蜗壳进口的交界面；66表示蜗壳截面型心；离心压气机基本理论图1单级离心压气机剖面图离心压气机叶轮可分为带叶冠叶轮和不带叶冠叶轮两种两种，前者又叫闭式叶轮，后者又叫开式叶轮。图2和图3给出了这两种叶轮形式。离心压气机基本理论图2不带叶冠叶轮图3带叶冠叶轮燃气轮机和涡轮增压器由于转速很高，通常使用开式叶轮。因为增加叶冠会增加叶轮质量，使转子惯性增加，从而导致整机性能恶化。开式叶轮离心压气机在工作时，叶轮旋转，而机匣静止，因此两者之间不可避免存在一个很小的叶尖间隙。对于很多大型过程压缩机，有很多则采用整体叶冠叶轮形式，其主要原因是这些压气机转速较低。离心压气机基本理论图2是现代燃气轮机和增压器上所使用的压气机叶轮。可以看出，叶轮叶片在出口处后弯。图2中的部分叶片并不是从叶轮进口开始一直延伸到叶轮出口，这些短叶片通常称之为分流叶片。图2不带叶冠叶轮离心压气机基本理论离心压气机上采用分流叶片是由离心压气机结构和性能两方面的要求决定的。在离心压气机中，随着流道半径的增加，叶片之间的周向距离也增加。为了保持流道半径在合适的范围内变化，从叶轮入口到出口叶片高度要大幅度减小。另外，为了让叶片载荷维持在所要求的水平，尽量减小分离流动区域的大小，需要在离心压气机叶轮后部使用分流叶片。采用分流叶片的目的是为了减小叶轮出口附近区域的叶片载荷。如果分流叶片的起始点延长到叶轮进口，会导致叶轮进口叶片数目过多，从而使叶轮极易产生堵塞流动现象。离心压气机基本理论离心压气机还可分为有叶扩压器和无叶扩压器形式两种，有叶扩压器的使用使压气机在设计点效率有一定的提高，但可能引起非设计点效率降低。在一些装置上，比如车用涡轮增压器上，一般不采用有叶扩压器形式，因为采用有叶扩压器会使压气机的工作范围变窄，制造成本增加。扩压器形式有很多种，主要有楔型扩压器，圆弧型扩压器，叶栅扩压器等。离心压气机基本理论离心压气机的工作原理可由叶轮机械的基本方程看出离心压气机基本理论1122CUCUWx对于轴流式叶轮机械，进口和出口半径近似保持不变，可以认为U2=U1，因此对轴流式叶轮机械，功是由流动角变化产生的。而对径流式叶轮机械，功是由流动角和半径变化两个因素引起的。这也是径流式叶轮机械压比(或膨胀比)高于轴流式叶轮机械压比(或膨胀比)的一个主要原因。离心压气机的稳定工作范围受喘振和堵塞边界的限制，在这两点之间压气机可以正常工作。图5给出了一个典型的压气机性能图。从图中可以看出，当压气机转速保持不变时，随着质量流量减小，压气机压比增加，最后进入喘振边界。根据这张图可以很清楚地看出压气机稳定工作范围受左侧喘振线和右侧堵塞点的限制。离心压气机基本理论图5典型的离心压气机性能图喘振是压气机出现的一种不能正常工作的流动现象。和喘振区相对应的另外一个不稳定工作区域是堵塞区域，即随着流量增加，压气机内部某一个截面上，一般在有叶扩压器内部，或者在叶轮喉部气流速度等于当地音速的流动现象。评价压气机性能好坏的一个重要指标就是看喘振流量和堵塞流量之间的差别，两者之间的差别越大，说明压气机稳定工作范围越宽。对一些压气机最高效率圈可能很小，且靠近喘振线。一般情况下，压比越高，稳定工作范围越小。离心压气机基本理论离心压气机尺寸差距很大，微型离心压气机叶轮直径小于1厘米，而超大型离心压气机叶轮直径可以超过2米。它们工作转速的差别也很大，最低为几千转，最高可达500,000转。有的离心压气机叶轮成本很低(例如对于汽车用涡轮增压器压气机叶轮成本也就几十元)，而另外一些采用钛合金及其它贵重金属制作成的叶轮成本可能非常昂贵。离心压气机基本理论离心压气机级中产生的大多数或者绝大多数静焓增和静压比是依靠离心力产生的，因此离心压气机内产生压比的能力和叶轮叶片进出口的旋转速度密切相关。离心压气机这种加功特点决定了离心压气机在靠近旋转失速状态时，并不是象轴流压气机那样出现特性不连续现象。离心压气机基本理论离心压气机的加功原理由叶轮机械的欧拉方程式(1)知，在叶轮进口无预旋情况下，上式可以写为22xθWUC对于径流叶轮，假设出口气流方向沿着叶轮径向流出叶轮，即2b0，在这种情况下气流出口绝对速度的周向分量为22θiCU由于叶轮出口存在滑移流动现象，因此叶轮出口气流将向叶轮旋转方向的反向倾斜，实际的切向速度将是C2C2i，这里的就是滑移因子。C2C2C2iW22W2C2U222222tanθimbCUCU许多径流压气机的叶片在出口处都是后弯形状，对出口存在后弯角2b的叶轮，出口绝对切向速度为22θθiCC考虑存在滑移流动现象，实际出口绝对切向速度为后弯叶轮对单位质量气体的作功量为2222tanxmbWUUC2bC2i叶轮的三种形式按照叶轮出口形状可以分成后弯叶轮、径向叶轮和前弯叶轮三种，如图7，图上还给出了速度三角形。(a)后弯叶轮(b)径向叶轮(c)前弯叶轮图7三种叶轮速度三角形