北航-叶轮机械原理--ch3(10)

航空叶轮机械原理第三章轴流式压气机工作原理北京航空航天大学航空发动机数值仿真研究中心金东海2019年春截面01234c1.5(0.5)转速、流量、轮缘功/压缩功（增）压比（总对总压比）转子压比静子总压恢复系数功率（w）（总）绝热效率（总对总效率，%）第一节压气机主要性能参数uNGl11.51.51pp1.5221.5pp11****0****01111kkkkcadccuccppllTT0ccpp第一节压气机主要性能参数为什么要采用总对总？不可压情况可压缩情况（等熵）*2/2ppv22221112ufuuvvdpllll根据广义伯努利方程，效率本质上为于是命名为“全压效率”12121111kkpdpcTpp12*12kkpvcTpp和于是1111*****1212221111211111kkkkkkkkufppppllcTppcTppcTppcTpp命名为“（总）绝热效率”第一节压气机主要性能参数关于总对总压比/效率的几点说明动能的利用问题进出口速度相等，静对静压比/效率余速不可利用，总对静压比/效率或轮周效率进出口动能均不可利用，多变效率进出口切向动能的影响绝热效率的定义问题当效率为1.0时，与进气总温相关级效率相等，多级压气机总效率降低即使级效率相等，多级压气机后面级压缩能力降低，间冷将有利于提升后面级的压缩性22221112ufuuvvdpllll11****1212121*12111kkkkpucTl21vv2v222muvvv1**1212kk*1T第二节轴流压气机基元级速度三角形级高增压比的轴流压气机通常由多级串联组成，其中每一级由一排动叶和一排静叶构成（一些情况下，第一级前存在进口导流叶片），并且每级的工作原理大致相同，可以首先通过研究压气机的一级来了解其工作原理轮毂机匣基元级用两个与压气机同轴并且半径相差很小的圆柱面，将压气机的一级在沿叶高方向截出很小的一段，得到构成压气机一级的微元单位——基元级基元级由一排转子叶片和一排静子叶片组成，保留了压气机的基本特征因非常小，基元级内部流动只存在轴向和圆周方向的变化，在圆柱坐标系下，这样的流动是二维流动第二节轴流压气机基元级速度三角形rr第二节轴流压气机基元级速度三角形vwuur基元级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基元级速度三角形6个参数确定速度△第二节轴流压气机基元级速度三角形简化的速度三角形假设只需4个参数确定速度△，通常采用、、和扭速关于“角度”定义的说明21uu321xxxvvvuuu21uuuuwvvv21uuuv1xv1uvuuw第三节基元级加功与增压基元级中转子叶片（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动势能只要动叶对气体作了功，则一定有21()uuuuluvvuv0uv第三节基元级加功与增压基元级中转子叶片（动叶）的作用无论是亚声速还是超声速基元，动叶对气体的加功都是通过改变气流绝对速度的周向分量并使实现的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亚声速和超声速转子基元的加功方式并不相同，前者通过气流的转弯加功，后者则利用了激波迫使相对速度降低而加功加功增压0uv21()uuuuluvvuv2221212fwwdpl222222121122fuuwwdpl21uu第三节基元级加功与增压基元级中静子叶片（静叶）的作用静叶将气流方向重新折转到所需要的方向，为下一级动叶提供合适的进气方向静叶气流通道沿流向扩张，亚声速气流在扩张流道中实现由动能向势能转换，实现静压升激波在静子中失去在转子基元中的作用，只能带来流动的堵塞和损失导向（整流）增压2232322fvvdpl第三节基元级加功与增压气流流经压气机级的参数变化特征2232322fvvdpl2221212fwwdpl第三节基元级加功与增压基元级反力度（DegreeofReaction,ReactionRatio）气流经过压气机基元级，动叶和静叶均对气流产生增压作用当基元级总静压升确定后，动叶和静叶之间存在静压升的分配比例，这对基元级效率有较大的影响若基元级进出口绝对速度的大小和方向相等，则运动反力度：动叶中的静压升占整个基元级静压升的百分比21fRudpll22323311122ufRSfRfSvvdpdpdpllll第三节基元级加功与增压基元级反力度（DegreeofReaction,ReactionRatio）反力度的计算公式（设、）21uu21xxvv2222112ufRvvdpll22221102fRwwdpl2222122122uwwvvl2222212212222122112112211221122fRuxuxuuuuuuuudpwwvvlvvvvlluvuvvvvvuu112uuvvuu第三节基元级加功与增压基元级反力度：反力度过大：动叶中静压升大，反预旋（速度△？）反力度过小：动叶中静压升小，动叶出口速度高（ImpulseStage）现代航空发动机压气机基元级的反力度：0.55～0.700.521wv21vw1.021uuvv0.021ww第四节基元级速度三角形分析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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四节基元级速度三角形分析速度三角形中的、、和的选取规律以及它们对基元级性能的影响动叶切向速度（圆周速度）的选取提高切向速度，可增大动叶对气体的加工量不变：提高圆周速度增加，即增加目前，航空发动机转子叶尖的切线速度：应力、噪声、材料等也限制了圆周速度的提高1xv1uvuuwuuuuluvuw1v1w1wMu1500m/s1.6tipwuM第四节基元级速度三角形分析动叶进气轴向速度的选取代表进气（体积）流量影响压气机、发动机的迎风面积过大的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稠度大、叶片厚超过0.75后，流量函数增加缓慢，对流量、推力增加的贡献不大“高通流”设计：最大程度地提高流量系数大涵道比涡扇发动机的风扇：高压压气机和小涵道比发动机风扇：1xv1xvsinpGKqdAT1xv1aM1aqM10.500.60aM10.600.70aM动叶进气切向速度的选取对气体在基元级中的流动和基元级的反力度有较大影响，在设计时可根据需要选取预旋速度正预旋（预旋方向与旋转方向相同）第四节基元级速度三角形分析1uv采用正预旋可有效降低动叶进口的相对马赫数减小反力度但使静叶进口速度提高，气流弯角增加，静叶设计难度增加1uv动叶进气切向速度的选取压气机设计时，若选取动叶的加功量沿叶高分布基本相等，即产生的问题：根部反力度低、大，使静叶流动进入跨声，难以设计反预旋（预旋方向与旋转方向相反）由于动叶根部的圆周速度小，适当采用反预旋，不会使动叶进口相对马赫数过大第四节基元级速度三角形分析提高基元级的反力度；减小静叶进口，改善进气方向；降低静叶设计难度。()()utiputiphubuhubluwuw2v2v1uv第四节基元级速度三角形分析扭速的选取增加扭速增大加工量亚声速基元叶型弯角增加减小，逆压梯度增大流动易分离超、跨声速基元扭速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-边界层干涉损失严重，使得动叶的效率急剧下降uwuuuluvuw2w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第四节基元级速度三角形分析扭速的选取增大扭速还会使静叶进口速度增大，方向斜，使得气流在静叶中偏转角度大，扩压大，易分离，易堵塞出现超声区和激波，损失增加，易堵塞增加了基元级静叶的设计难度uw“高负荷”设计：最大程度地提高扭速，以增加负荷系数级负荷能力与扩压长度的关系第五节基元几何与叶栅流动特性叶栅（Cascade）（基元）几何参数叶型表面坐标：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，可得到叶型的表面坐标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五节基元几何与叶栅流动特性叶型（profile）几何参数中弧线（camber）弦长（chord）最大挠度及其位置（maximumcamber&itslocation）最大厚度及其位置（maximumthickness&itslocation）叶型前缘角和后缘角叶型弯角（camberangle）：maxffcaacmaxTTceec1221maxfamaxTec第五节基元几何与叶栅流动特性叶栅（基元）几何参数叶型安装角（staggerangle）栅距（pitch，space）叶栅稠度（solidity）几何进口角和几何出口角（bladeangle，metalangle）yct1m2mt第五节基元几何与叶栅流动特性叶栅（基元）气动参数进气角迎角（incidence）落后角（deviation）气动弯角（deflection）111mi22m12i第五节基元几何与叶栅流动特性基元流动物理图画基元流动来流特征迎角（incidenceangle,区别attackangle）迎角的正负问题亚声、跨声（临界马赫数）、超声来流第五节基元几何与叶栅流动特性基元流动物理图画基元流动表面压力和近表面Ma数分布压力系数不同叶型基元表面压力分布跨声叶型近表面Ma数分布111pppcpp第五节基元几何与叶栅流动特性基元流动物理图画基元流动等Ma数云图MArel1.33291.27851.22411.16971.11531.06091.00650.95210.89770.84330.78890.73450.68010.62570.57130.51680.46240.40800.35360.29920.24480.19040.13600.08160.0272MArel1.44471.38581.32681.26781.20891.14991.09091.03200.97300.91400.85510.79610.73710.67810.61920.56020.50120.44230.38330.32430.26540.20640.14740.08850.0295第五节基元几何与叶栅流动特性基元流动物理图画边界层摩擦尾迹边界层分离激波-边界层干扰第五节基元几何与叶栅流动特性基元中的流动损失边界层内气体的摩擦损失逆压梯度作用下的边界层分离损失，特别是激波-边界层干涉会加重分离，导致分离损失急剧增加尾迹损失（叶片两侧边界层在尾缘处脱体时产生的旋涡流动损失）和尾迹区与主流区的掺混损失激波损失：激波本身所具有的损失，