叶轮机械原理_第三章

第三章第一节轴流压气机的工作原理轴流压气机的增压比和效率压气机的增压比定义=pkp1k压气机的总增压比发展历程第三章轴流压气机的工作原理k=Lkhpkp1LkLadk第三章轴流压气机的工作原理Ladk压气机的绝热效率定义**k*kad**1sTadkpadk(RT1(kk1)Ladk=cp(TadkT1)=TkL=cp(TT)=1)RT1(k1T=k1Tk第三章轴流压气机的工作原理)k1kRkk1k1k1T1k用热焓形式能量方程、绝热条件、等熵过程的气动关系式T1=(p1)和cp=k1kk1kkk11第三章轴流压气机的工作原理第二节轴流压气机的基元级和基元级的速度三角形高增压比的轴流压气机通常由多级组成，其中每一级在一般情况下都是由一排动叶和一排静叶构成，并且每级的工作原理大致相同，可以通过研究压气机的一级来了解其工作原理。第三章轴流压气机的工作原理用两个与压气机同轴并且半径相差r很小的圆柱面，将压气机的一级在沿叶高方向截出很小的一段，这样就得到了构成压气机一级的微元单位－－基元级，第三章轴流压气机的工作原理基元级由一排转子叶片和一排静子叶片组成，它保留了轴流压气机的基本特征。因r非常小，气体在基元级中流动其参数可以认为只在沿压气机轴向和圆周方向发生变化，在圆柱坐标系下，这样的流动是二维流动。第三章轴流压气机的工作原理为研究方便，可将圆柱面上的环形基元级展开成为平面上的基元级。C=w+uu=×r第三章轴流压气机的工作原理c1ac2ac3a简化速度三角形w1w2c1c2u1u2(a)w1w2c1c2wucuu1u2c1ac1u(b)第三章只需要确定c1a、c1u、u和wu四个参数，则简化形式的基元级速度三角形就完全确定了。轴流压气机的工作原理wu称为扭速，wu=w1uw2uu在气流沿圆柱面流动的情况下，1=u2，可得到wu=cu=c2uc1uw1wuc2cuw2u1u2c1ac1c1u第三章第三节轴流压气机的工作原理基元级中动叶和静叶的作用及基元级的反力度（一）基元级中动叶的作用压气机通过动叶驱动气体流动完成对气体作功，将外界输入的机械功转变成气体的热能和机械能。Lu=u(c2uc1u)=ucu只要动叶对气体作了功，则一定有cu0YAxisTitle第三章轴流压气机的工作原理cuß2ß1w2w1c2c1wu亚声速基元级工作原理第三章轴流压气机的工作原理超声速基元级工作原理第三章轴流压气机的工作原理Lu=u(c2uc1u)=ucuLfR=21w12w222dp无论是超声速还是亚声速基元级，动叶对气体的加工都是通过改变气流绝对速度的周向分量并使cu0实现的，而气流流过动叶后静压升高则都是通过减小气流的相对速度实现的，只是超声速基元级和亚声速基元级在加功和增压的方式上有一些差别。第三章轴流压气机的工作原理基元级中动叶的作用：1.加功，2.增压。YAxisTitle第三章轴流压气机的工作原理（二）基元级中静叶的作用wucuß2ß1w2w1c2c1cc=第三章轴流压气机的工作原理静叶将气流的方向重新偏转到接近轴向方向，为下一级的动叶提供合适的进气方向。静叶的气流通道沿流向是扩张的，亚声速气流在扩张的静叶流道中进一步减速和增压。基元级中静叶的作用：1.导向，2.增压。Lfs232223dp2第三章轴流压气机的工作原理气体流经压气机级的参数变化第三章轴流压气机的工作原理（三）基元级的反力度气流流过压气机基元级时，动叶和静叶都对气流有增压作用，当基元级总的静压升高确定后，就存在静压升高在动叶和静叶之间的分配比例问题。基元级的静压升高在动叶和静叶之间的分配情况，对于基元级对气体的加功量和基元级的效率有较大的影响。LfRLfRSLfR第三章轴流压气机的工作原理反力度定义=21dpLu通常，可以认为基元级出口绝对速度c3的大小和方向都十分接近于基元级进口的绝对速度c1，即c3c1。LfSLu=3dp22dp13dp1c32c122反力度的物理意义：动叶中的静压升高占整个基元级静压升高的百分比。第三章轴流压气机的工作原理现代航空发动机压气机基元级的反力度：0.55～0.70c2c1w2w1c2c1w2w1Ω=0.5Ω=0.0c2c1w2w1第三章轴流压气机的工作原理如果反力度过低，则气体通过动叶后静压升高不多，表明动叶加给气体的机械能主要是动能，这样度，因此，需要尽量避免反力度过低的现象发生。动叶出口的c2速度就会很大，而且方向也很斜。这样会加大静叶的设计难Lu=0=wwcc第三章轴流压气机的工作原理反力度的计算公式21c22c122LfRdp21w22w122LfRdp(绝对坐标系)(相对坐标系)2222212212Lu=LfR第三章轴流压气机的工作原理21222221cwc2=Luw221c22uc22ac12uc12a2Lu=1c22c122Lu=1w12w222Lu==dpLuc2ac1ac1uucu2u=1c1ucuc1u2u=1c2uc1u2u=1Lu=ucu=u(c2uc1u)第三章第四节轴流压气机的工作原理基元级的速度三角形分析•多级轴流压气机是由多个单级压气机串联组成，而其中每一个单级压气机又是由很多个基元级沿叶高叠加而成。•压气机是通过无数个基元级实现对气体的加功和增压，基元级构成了轴流压气机的基础。第三章轴流压气机的工作原理•设计压气机从设计压气机的基元级开始，而设计基元级又是从确定基元级的气动参数开始。•速度三角形中的主要参数对压气机基元级的加功、增压和低流阻损失等性能有着重要的影响。第三章轴流压气机的工作原理量。速度三角形中的c1a、c1u、u和wu的选取规律以及它们对基元级性能的影响。(一)扭速wu的选取•Lu=ucu=uwu，增大扭速可以增大基元级的加功w2c2w1wucuu2c1ac1c1uu1(b)亚声速基元级3.流动分离，动叶加功能力、效率和流量下降。wu增加导致：1.=21增大；2.W2减小，逆压梯度增大；第三章轴流压气机的工作原理叶背流动分离第三章轴流压气机的工作原理•超、跨声速基元级，扭速wu是靠强烈的激波系获得。•如果激波强度过大，激波本身的总压损失和激波－－附面层干涉损失严重，使得动叶的效率急剧下降。第三章轴流压气机的工作原理•为了保证动叶的效率，无论亚声速还是超、跨声速基元级，都不能任意增大扭速wu。2•增大扭速wu还会使动叶出口速度c增大，并且的方向很斜，增加了基元级静叶的设计难度。c2c2c1w2w1第三章轴流压气机的工作原理静叶进口气流速度大、方向斜带来的问题：•气流在静叶中偏转角度大，减速、扩压大，易分离；•出现超声速流动区域和激波，激波损失；•流量易堵塞。•叶片材料的强度是限制u提高的因素之一。第三章轴流压气机的工作原理(二)动叶圆周速度u的选取•Lu=ucu=uwu,提高动叶圆周速度u，可以增大动叶对气体的加功量;c•现圆周速度u可达500米/秒左右，Mw1在1.6～1.8；c1w1w'1u1u'1第三章轴流压气机的工作原理（三）动叶进口轴向速度c1a的选取•c1a影响压气机的迎风面积；•过大的c1a易导致流动堵塞和流动损失增大，尤其是在动叶的根部区域（叶片密、叶片厚）；•Ma超过0.75后，q(Ma)增大不明显；Mc1aMc1a第三章轴流压气机的工作原理（三）动叶进口轴向速度c1a的选取•美国民用发动机风扇/压气机的Mc1a的选取值不超过0.50～0.55，军用发动机风扇/压气机的Mc1a的选取值不超过0.60～0.65。第三章轴流压气机的工作原理C'1C1W'1W1U1U1（四）动叶进口预旋速度c1u的选取c1u对气体在基元级中的流动和基元级的反力度有较大的影响，在设计时可根据需要灵活选取预旋速度c1u。u采用正预旋可有效降低动叶进口的相对Mw。1第三章轴流压气机的工作原理c2c1w2w1Wu(2)反预旋c1u（c1u的方向与u的方向相反）在压气机设计时，通常安排动叶的加功量沿叶高分布基本相等，即Lu=u叶尖wu叶尖＝u叶根wu叶根，wu大，造成：•基元级的反力度低；•静叶进口的c2大，且斜；•基元级静叶设计难度大。第三章c2c1w2Wuw1轴流压气机的工作原理采用反预旋，可以：•提高基元级的反力度；•减小静叶进口c2，改善进气方向；•降低静叶设计难度。由于动叶根部的圆周速度u小，采用适当的反预旋，一般不会出现因动叶进口相对Mw1过大而带来的动叶效率急剧下降的问题。轴流压气机的工作原理压气机平面叶栅流动动叶和静叶的叶栅通道以及气流相对于动叶和静叶的流动都有着共同的特点：•气流在沿流向扩张的通道中减速扩压流动；•气流的角度发生偏转，由与轴向的夹角大，偏转到与轴向的夹角小。第三章第五节亚声速基元级第三章轴流压气机的工作原理可以用单独一排叶片来模拟气流在基元级中动叶或静叶中的流动，这种在平面上展开的模拟叶栅就是压气机平面叶栅。第三章轴流压气机的工作原理一、平面叶栅的几何参数叶型表面座标:选定中弧线（圆弧、抛物线、多项式等），将原始叶型（中弧线为直线的对称叶型）的厚度移植到中弧线曲线上，可得到叶型的表面座标。叶背表面也称为叶片吸力面，叶盆表面也称为叶片压力面。第三章叶型几何参数轴流压气机的工作原理1.中弧线2.弦长b3.最大挠度fmax及其位置a和fmaxbf=aba=4.最大厚度cmax及其位置ecmaxebb6.叶型弯角，=12第三章轴流压气机的工作原理叶栅几何参数1.叶型安装角ybt2.栅距t3.叶栅稠度,=4.几何进口角1k和几何出口角2k第三章轴流压气机的工作原理二、平面叶栅中的流动当叶栅进口Ma1比较高时（达到0.8左右），在叶栅通道内部就有可能出现局部超声速流动，这时的来流Ma1在气动上被称为临界Macr。前缘小圆的半径增大、叶型的最大厚度大和其位置靠近前缘、中弧线的挠度大和其位置靠近前缘等因Macr素，都会使叶栅的临界减小。第三章叶片表面附近的马赫数分布轴流压气机的工作原理叶片表面静压分布第三章轴流压气机的工作原理（a）尾迹总压亏损（b）附面层分离（c）激波－－附面层干涉MArel1.33291.27851.22411.16971.11531.06091.00650.95210.89770.84330.78890.73450.68010.62570.57130.51680.46240.40800.35360.29920.24480.19040.13600.08160.0272激波－－附面层干涉MArel1.44471.38581.32681.26781.20891.14991.09091.03200.97300.91400.85510.79610.73710.67810.61920.56020.50120.44230.38330.32430.26540.20640.14740.08850.0295激波－－附面层干涉2wdt0wdt0第三章轴流压气机的工作原理叶栅出口平均气流角2405060xp.s.s.s.t=tt222222落后角=2k2第三章轴流压气机的工作原理气体沿曲线流动时，所受离心力与从压力面到吸力面的压力梯度相抗衡，接近尾缘时，由于该压力梯度减小，气流趋向于靠近压力面一侧流动，叶型的弯角越大，这一倾向越明显，即落后角越大。第三章轴流压气机的工作原理在叶栅出口处叶片压力面与额线的夹角小于叶型中弧线与额线的夹角，因此，叶型尾缘附近的厚度也对落后角有较大的影响，叶片尾缘越厚，落后角越大。第三章轴流压气机的工作原理叶栅中的流动损失由以下各项组成：（1）附面层内气体的摩擦损失；（2）逆压梯度作用下的附面层分离损失，特别是激波－－附面层干涉会加重分离，