第三章-轴流式压气机工作原理课件

第三章 轴流式压气机工作原理一、基本组成转子静子（整流器）基元级压气机组成叶片轮盘第三章 轴流式压气机工作原理一、基本组成转子静子（整流1二、性能参数1、增压比：压气机出口压力与进口压力之比2、做功及效率：滞止等熵功实际加功二、性能参数1、增压比：压气机出口压力与进口压力之比2、做功23-2 多级轴流压气机分解研究方法外径 Dt轮毂直径，内径 Dh轮毂比 径向间隙 轴向间隙 3-2 多级轴流压气机分解研究方法外径 3分解的研究方法多级单级基元级动叶叶栅忽略级间干扰沿圆柱面剖开静叶叶栅展成平面分解的研究方法多级单级基元级动叶叶栅忽略级间干扰沿圆柱面剖开4一、基元级速度三角形c=w+u2、引入速度三角形意义2）便于确定动叶安装角3.3 基元级速度三角形及其主要参数1、什么是速度三角形3）反应压力变化4）反应流动损失5）反应作功1）便于相对速度与绝对速度转换一、基元级速度三角形c=w+u2、引入速度三角形意义2）便于5二、简化速度三角形有关参数讨论1、动叶进口绝对速度轴向分量C1a第一级很重要效率迎风面积，C1a ，面积C1a ，效率2、动叶进口绝对速度周向分量C1uC1u 称为预旋3、圆周速度u直接影响加功量大小4、动叶前后气流相对速度或绝对速度变化量wu 或（wc）二、简化速度三角形有关参数讨论1、动叶进口绝对速度轴向分量C63-4 基元级中气流加功和增压一、动叶对气流的加功以动叶为研究对象，即气体对动叶作功气流作用于叶片的周向分力：Pum(w1u-w2u)单位时间做功为m(w1u-w2u).u单位质量气体做功为(w1u-w2u).u动叶对气体作功为Luu(w1u-w2u)=u wu 轮缘功3-4 基元级中气流加功和增压一、动叶对气流的加功以动叶为7动量矩定理功提高作功能力的途径uwu二：亚声基元级和超声基元级的扩压流动w1 c2都低于当地音速w1 c2至少有一个高于当地音速超音速亚声基元级：超声基元级：动量矩定理功提高作功能力的途径uwu二：亚声基元级和超声基81、亚声基元级wu的产生通道扩张2、超声基元级wu的产生激波1、亚声基元级wu的产生通道扩张2、超声基元级wu的产生9三 气体流经压气机参数变化一）气流参数与坐标的关系1、状态参数或静参数（p，T），与坐标无关2、滞止参数或总参数与速度有关，因此与坐标有关二）气流流经压气机的参数变化三 气体流经压气机参数变化一）气流参数与坐标的关系1、状态参10四、基元级反力度相减：动叶中有多少动能用于压力势能的增加和克服动叶流阻，即动叶中压力势能转换值：静叶中压力势能转换值所以Lu代表气体流经动叶和静叶发生的压力势能转换总和一）、能量反力度和运动反力度1、能量反力度四、基元级反力度相减：动叶中有多少动能用于压力势能的增加和克11反力度定义式：物理意义：动叶中用于压力势能转换的能量与整个级用于压力势能转换的能量比值。目的：与速度三角形联系，应用方便设u1=u2，w1a=w2a代入能量反力度表达式2、运动反力度反力度定义式：物理意义：动叶中用于压力势能转换的能量与整个级12当u，wu 一定时，C1u通常根部反力度小，需采用减小C1u以增大反力度，即反预旋几种特殊的反力度值：反力度是压气机设计中非常重要的指标当u，wu 一定时，C1u通常根部反力度小，需采用减小C13第三章-轴流式压气机工作原理课件14五、速度三角形的分析与设计1、动叶进口绝对速度轴向分量C1a第一级很重要效率，迎风面积，C1a ，面积C1a ，效率C1a美国：Ma=0.50.55（民用）0.65（军用）苏联：Ma0.65中国：Ma0.65推力C1a ，推力根据应用场合适当舍取给定设计要求速度三角形配置叶栅五、速度三角形的分析与设计1、动叶进口绝对速度轴向分量C1a15尖部C1u 0，正预旋根部C1u 0，反预旋控制反力度很有效2、动叶进口绝对速度周向分量C1u3、圆周速度uLu uwu尖部C1u 0，正预旋根部C1u 0，反预旋控制反力度很164、wu 重量轻级数少单级Lu增加（Lu uwu）wu增加但wu增加效率降低亚音级：分离超音级激波强度动叶静叶：4、wu 重量轻级数少单级Lu增加（Lu uwu）17三、预旋的作用1、正预旋可使相对速度降低，减小损失2、提高气流圆周速度，提高轮缘功3、可使C1a增大，增加流量或减小迎风面积三、预旋的作用1、正预旋可使相对速度降低，减小损失2、提高气183-5 压气机叶型和叶栅的基本参数一、平面叶栅的几何参数（一）叶型几何参数1、中弧线2、弦长b 中弧线与叶型前后缘连线3、最大挠度（fmax）及相对位置中弧线到弦的最大距离，称为最大挠度4、最大相对厚度 及其相对位置叶型最大厚度叶型最大厚度距前缘距离3-5 压气机叶型和叶栅的基本参数一、平面叶栅的几何参数（195、叶型前缘角后缘角中线在前后缘处切线与弦的夹角6、叶型弯角（二）位置参数1、叶型安装角 ：弦与额线的夹角2、栅距 t：相邻叶型额线方向距离 3、叶栅稠度：弦长与栅距的比值b/t4、几何进口角1k和几何出口角2k中弧线在前后缘点切线与额线夹角5、叶型前缘角后缘角中线在前后缘处切线与弦的夹角6、叶型弯角20二、平面叶栅中气流的物理图画和损失来流Ma10.8，出口Ma2 0.61、物理图画2、损失1）边界层摩擦损失2）边界层分离损失3）尾迹损失4）尾迹与主流掺混损失5）气流穿过激波损失叶背继续加速，可能达到超音速叶盆无局部超音速二、平面叶栅中气流的物理图画和损失来流Ma10.8，出口M21三 平面叶栅气动参数1、进气角1来流与额线夹角2、攻角i进气角与几何进口角夹角3、出气角2出口气流与额线夹角4、落后角出气角与几何出口角夹角5、气流转角气流流过叶栅方向的改变6、损失系数流经叶栅的总损失三 平面叶栅气动参数1、进气角12、攻角i3、出气角222四 平面叶栅的实验研究（一）亚声平面叶栅风洞来流马赫数低于0.40.6（二）平面叶栅攻角特性气流部分分离，损失增大气流分离严重，损失急剧增大四 平面叶栅的实验研究（一）亚声平面叶栅风洞来流马赫数低于023第三章-轴流式压气机工作原理课件24（三）进口马赫数对攻角特性的影响Ma10.60.7时低 范围变窄，且最小值增大（四）影响攻角特性的其他因素1、雷诺数Re 21052、紊流度低Re，紊流度增加，损失减小高Re，紊流度增加，损失增加3、密流比局部超音速（三）进口马赫数对攻角特性的影响Ma10.60.7时低 25（五）平面叶栅额定特性(通用特性)1、绘制方法2、应用限制MaMacr 额定工作状态（五）平面叶栅额定特性(通用特性)1、绘制方法2、应用限制M263、规律分析3、规律分析27五 平面叶栅几何参数的确定1、叶型的选择影响较大最大相对厚度及位置最大相对挠度及位置尽量薄尖部小，根部大决定临界马赫数高速大低速小高速大低速小五 平面叶栅几何参数的确定1、叶型的选择影响较大最大相对厚282、中弧线的确定抛物线、双圆弧、多圆弧3、叶栅稠度的确定和扩散因子亚声级：查额定特性图高亚声级、超声级：D因子法动叶叶尖D0.4，其它部位及静叶D0.6物理意义:气流流经叶栅相对扩压程度大小2、中弧线的确定抛物线、双圆弧、多圆弧3、叶栅稠度的确定和扩294、弦长和叶片数目确定选定弦长选定叶片数计算稠度所需稠度查图或由D因子确定弦长b小弦长可减小轴向尺寸低增压比大弦长增加稳定工作范围高增压比5、攻角的选定和落后角的确定攻角：影响效率和失速裕度，以实验或经验选定落后角：影响加功和扩压以及下一级入口气流角4、弦长和叶片数目确定选定弦长选定叶片数计算稠度所需稠度查图30第六章 级的基本理论一、叶片为什么做成弯扭形状？考虑轴向进气，流场均匀，即c1u=0，c1a=C进口：根部到尖部，安装角逐渐减小出口：沿叶高等功设计，即Lu uwu轴向进气弯角根部到尖部，叶型弯角逐渐减小第六章 级的基本理论一、叶片为什么做成弯扭形状？考虑轴向进31二、简化径向平衡方程及应用1、基本假设1）轴对称2）圆柱面流动，即cr=03)忽略粘性力4）定常流5）不计重力定常、一维、理想流场计算2、受力分析：离心力二、简化径向平衡方程及应用1、基本假设1）轴对称2）圆柱面流32简化径向平衡方程简化径向平衡方程物理意义：离心力由径向压力梯度dp/dr来平衡对r求导等功等熵简化径向平衡方程简化径向平衡方程简化径向平衡方程物理意义：离心力由径向压力梯33三、几种典型的扭向规律1）、等环量扭向规律代入轮缘功公式代入简化径向平衡方程动叶前后轴向分速度沿叶高为常数特点：（1）绝对进气角沿叶高增大（2）相对进气角沿叶高减小（3）绝对出气角沿叶高增大（4）相对出气角沿叶高减小（5）反力度沿叶高增加三、几种典型的扭向规律1）、等环量扭向规律代入轮缘功公式代入34缺点：动叶叶尖、静叶叶根Ma易超限根部反力度变小优点：效率较高，设计与实验吻合较好进出气角沿叶高变化剧烈，叶片扭转严重适用于短叶片缺点：动叶叶尖、静叶叶根Ma易超限根部反力度变小优点：效率较352、等反力度规律优点：气流Ma，转角变化平缓缺点：效率较低，与实测偏差较大3、中间规律代入轮缘功公式A=C=0 等环量A=C0 B=-D等反力度用于较长叶片（前几级）2、等反力度规律优点：气流Ma，转角变化平缓缺点：效率较低，36四、压气机叶身设计大意与级的流动损失扭向计算确定速度三角形配置叶栅气动性能：符合气动要求，结构合理：沿叶高等强度，减重强度抗振：离心载荷，气动载荷工艺性：叶片加工工作量占整台发动机30402、压气机级的流动损失1）环壁边界层及其与叶型边界层相互作用1、设计大意四、压气机叶身设计大意与级的流动损失扭向计算确定速度三角形配372、径向间隙引起损失和最佳径向间隙3、间隙涡、通道涡2、径向间隙引起损失和最佳径向间隙3、间隙涡、通道涡384、边界层潜移4、边界层潜移393-7 轴流压气机超音速级和跨音速级的特点一、概述高性能压气机级数少迎风面积小超跨声50年代 60年代 80年代 新一代 设计非平面叶栅，而是单转子，单级压气机 当代 风扇由3级改为1级，压气机 由9级减为3级3-7 轴流压气机超音速级和跨音速级的特点一、概述高性能压40二、超声平面叶栅物理图画 1、流动分析 AB膨胀波与叶片1外伸激波相交BC膨胀波与叶片2外伸激波相交CD膨胀波与叶片2槽道激波相交2、损失分析 外伸激波削弱很快，槽道激波是影响损失的主要因素激波损失（一道正激波加一道斜激波）激波边界层干扰损失 二、超声平面叶栅物理图画 1、流动分析 AB413、栅后静压对栅前流场的影响 P2 槽道激波强度 正激波 脱体激波P2 槽道激波强度 正激波 斜激波P2 槽道激波强度 斜激波正激波4、栅前Ma对流场的影响局部超音速激波伸向无穷远，栅前超声场脱体激波靠近前缘激波附体变斜，不能实现有效增压栅前流场与叶栅互无影响3、栅后静压对栅前流场的影响 P2 42三、几种超声叶型1、多圆弧可控制叶型前后段转角分配，减弱激波，降低损失，Ma1.62、直线进口进口为直线，多圆弧特例3、预压缩负转折角，Ma1.6三、几种超声叶型1、多圆弧可控制叶型前后段转角分配，减弱激波43四、超跨声压气机级的特点1、压气机通道壁的三元效应通道几何形状变化急剧动叶进口：机匣壁、轮毂采用负曲率，降低Ma动叶出口：机匣壁采用正曲率，增加w，降低叶尖 扩散因子2、叶片端壁区的三元效应尖部槽道激波，边界层干扰3、对进口流场敏感4、特性陡峭四、超跨声压气机级的特点1、压气机通道壁的三元效应通道几何形443-8 多级轴流式压气机一、多级轴流压气机设计概要1、设计要求尺寸小，重量轻，性能好，可靠性高解决途径适当取舍设计上有突破2、各级特点1）第一级：对整台压气机起直接决定性影响a、决定压气机径向尺寸b、气流易达到音速而引起效率降低c、偏离设计状态时，第一级偏离最远，低换算转速，失速、喘振多在此级发生d、强度振动问题最多3-8 多级轴流式压气机一、多级轴流压气机设计概要1、设计要452）后面级a、没有马赫数超限问题，但二次流和环壁边界层损失较大b、在高换算转速下，易发生喘振c、环壁边界层加厚，轴向速度变形d、最后一级轴向速度低，反力度易偏大3）、中间级该级工作条件最好，加功量最大3、设计中的几个问题1）增压比和效率总增压比等于各级增压比的乘积，即总增压比等于各级增压比的乘积，即2）后面级a、没有马赫数超限问题，但二次流和环壁边界层损失较46效率：LuLu1Lu2Lu3多级压气机的效率低于各分级效率2）设计概述a 功的分配原则和级效率的变化亚声级：中间级最多超声级：第一级最多b 轴向速度沿压气机通道变化 第一级亚声级：115200m/s超声级：210235m/s最后级120150m/s中间级：减小梯度不超过1015m/s第一级（0.50.6）中间级（1.151.2）最后一级（0.951.0）效率：LuLu1Lu2Lu3多级压气机的效率低于各分级47c 各级扭向规律选定第一级亚声级：采用正预旋以减小叶尖马赫数，并采用中间规律超跨声级：按等功等损失设计，采用等环量规律后面级:等环量规律中间级:中间扭向规律现代高性能压气机采用优化方法，以三元流场计算为依据，考虑变功变熵。d 通道环壁边界层修正 端壁区：粘性中心区：C1a设计值，Lu总加功量下降 c 各级扭向规律选定第一级亚声级：采用正预旋以减小叶尖马483）多级压气机的级间干扰 早期采用流量储备系数将设计面积放大Km倍，或采用减功系数Kl修正加功量下降，即LuLucKl（Kl1.0）级间干扰：相邻级实际参数与设计值偏离 措施 准确控制各级出口参数，根据前面级出口流场设计下一级各级有较宽攻角范围，增强抗干扰能力现代设计采用考虑边界层的三元流场计算 5、改善喘振边界和颤振边界3、通道几何调整4、动静叶局部弯扭2、先调好前面级1、级间配合是影响性能主要因素之一 二、多级轴流压气机的实验和调试简介3）多级压气机的级间干扰 早期采用流量储备系数将设计面积49