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1、,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,=,p k 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 =,Lk,h,pk,p1,L k,L ad k,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*1s,Tadk,padk (,RT1( k k 1),L adk = cp(Tadk,T1 ) =, T,k,L = cp(T T ) =,1),RT1 (,k 1,T, =, k 1,Tk,第三章,轴流压气机的工作原理,),k1k,R,kk 1,k1k 1T1,k,用热焓形式能量方程、绝热条件、等熵过程的气
2、动关, 系式 T1 = ( p1 ),和 cp =,k1, kk 1, k,k k 1 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
3、 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,2,第三章,轴流压气机的工作原理,c1a c 2 a c 3a简化速度三角形,w1,w2,c1,c2,u1,u2,(a),w1,w2,c1,c2,2,1wu,cu,u1,u2,c1a,1c1u,(b),2,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 =w 1u
4、 w2u,u,在气流沿圆柱面流动的情况下，1 =u2 ，可得到wu = cu = c2u c1u,w11wu,c22cu,w2u1,u2,c1a,c11c1u,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) =ucu只要动叶对气体作了功，则一定有 cu 0,Y Axis Title,第三章,轴流压气机的工作原理,cu,2,1,w2,w1,c2,c1,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
5、章,轴流压气机的工作原理,Lu =u(c2u c1u) =ucu,+ L fR,=,21,w1 2 w2 22,dp,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 cu 0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。,Y Axis Title,第三章,轴流压气机的工作原理,（二）基元级中静叶的作用,wu,cu,2,1,w2,w1,c2,c1,c c,=,第三章,轴流压气机的工作原理,静叶将气流的方向
6、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。,+ Lfs,23,22,2,3 dp2 ,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。,+ LfR,+,+ LfR+S ,+ LfR
7、+,第三章,轴流压气机的工作原理,反力度定义, =,21,dpLu,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 。,+ LfS,Lu =,3 dp2,2 dp1,3 dp1,c3 2 c1 22,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：0.550.70,c2,c1,w2,w1,c2,c1,w2,w1,=0.5,=0.0,c2,c1,w2,w1,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
8、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 w,c c,第三章,轴流压气机的工作原理,反力度的计算公式,21,c2 2 c1 22,+ LfR +,dp,21,w2 2 w1 22,+ LfR +,dp,(绝对坐标系),(相对坐标系),2,2,2 22 1,2 21 2,+,Lu =,+ LfR,第三章,轴流压气机的工作原理,21,22,22,21,c,w, c2,= L u , w2,21,c2 2u +c2 2a c1 2 u c1 2 a2Lu,=1,c2 2 c1 22Lu,
9、=1,w1 2 w2 22Lu,=, =,dpLu,c2a c1a,c1uu,cu2u,=1,c1u +cu +c1u2u,=1,c2u +c1u2u, =1,Lu = ucu = 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
10、和低流阻损失等性能有着重要的影响。,2,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 = ucu = uwu，增大扭速可以增大基元级的加功,w2,c22,w11wu,cu,u2,c1a,c11c1u,u1(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
11、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。,c2,c2,c1,w2,w1,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 =ucu =uwu ,提高动叶圆周
12、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1.61.8 ；,c1,w1,w1,u1,u1,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；,Mc1a,Mc1a,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0.500.55，军用发动机风扇/压气机的Mc1a的选取值不超过0.600.65。,第三章,轴流压气机的工
13、作原理,C 1,C1,W 1,W1,U1U1,（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 M w 。1,第三章,轴流压气机的工作原理,c2,c1,w2,w1,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w u叶根 ，w u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,c2,c1,w2Wu,w1,轴流压气机的工作原理采
14、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
15、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,fmaxb,f =,ab,a =,4.最大厚度cmax及其位置ecmax eb b6.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 y,bt,2.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
16、,二、平面叶栅中的流动当叶栅进口 M a1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 M a1在气动上被称,为临界 M acr。,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M acr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,MArel,1.33291.27851.22411.16971.11531.06091.00650.95210.89770.84330.78890.7
17、3450.68010.62570.57130.51680.46240.40800.35360.29920.24480.19040.13600.08160.0272,激波附面层干涉,MArel,1.44471.38581.32681.26781.20891.14991.09091.03200.97300.91400.85510.79610.73710.67810.61920.56020.50120.44230.38330.32430.26540.20640.14740.08850.0295,激波附面层干涉, 2, w dt,0, w dt,0,第三章,轴流压气机的工作原理,叶栅出口平均气流角 2
18、,40,50,60,x,p.s.,s.s.,t,=,t,t,2 2,2 2 2,2,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
19、失，特别是激波附面层干涉会加重分离，导致分离损失急剧增加；（3）激波造成的总压损失；（4）尾迹损失（叶片两侧附面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。以上损失也称为叶型损失。,第三章,轴流压气机的工作原理,2.攻角,三、平面叶栅的气动参数1.进气角 1,i = 1k 1,3.落后角 = 2k 24.气流转角 = 2 15.总压损失系数p1 p2 p1 p1,Ma2,6.进口 Ma1 和出口p27.静压增压比 p1,第三章,轴流压气机的工作原理,四、平面叶栅试验亚声速平面叶栅风洞,= ,第三章平面叶栅攻角特性,轴流压气机的工作原理不同攻角下的叶片表面气流分离 = 2 1
20、 = +i p1 p2 p1 p1,第三章,轴流压气机的工作原理,特性1 来流的攻角在设计攻角附近变化时，叶栅的出气角2基本不变。特性2 来流的攻角在设计攻角附近变化时，叶栅的总压损失也基本不变，并维持在较低水平。平面叶栅攻角特性,第三章,轴流压气机的工作原理,Ma1 0.60.7以后，随着进口马赫数的增大，低损失系数的攻角范围变窄。不同进口M1下的叶栅攻角特性,第三章,轴流压气机的工作原理,特殊叶栅理论1. 串列叶栅理论第二排叶片的附面层重新生成；第二排叶片的来流攻角变化不大；第一排叶片负荷轻，第二排叶片负荷可以重一些；串列叶栅在气流偏转角度比较大时，流动稳定性好，抗分离能力强。,第三章,轴
21、流压气机的工作原理,2. 轴流压气机大小叶片理论在转子通道的后半部分局部增加小叶片，增大转子的作功能力。Wennerstrom于七十年代提出，并进行了试验验证。九十年代以后，采用CFD技术进行优化设计。,第三章,轴流压气机的工作原理,五、超声速进口气流在平面叶栅中的流动特征现阶段进口气流的相对速度马赫数大于1.0情况只发生压气机的转子上，即动叶进口气流的相对马赫数 M w11.0。在目前的轴流压气机技术水平的条件下，动叶进口气流的轴向速度马赫数 仍然小于1.0。这样，叶片对气流的扰动（激波和膨胀波）可以传播到叶栅进口（额线）以前并影响栅前流场。,第三章,轴流压气机的工作原理,第三章,轴流压气机
22、的工作原理,减少D点以前的型面转折角度数 ，可以降低D点处的Ma数，从而可有效降低激波造成的流动损失。方法是将叶型的吸力面进口段设计成：,小转折角(多圆弧叶型),Ma1 1.2 1.6,零转折角（平直进口段叶型）负转折角的型面（预压缩叶型） Ma1 1.6,第三章,轴流压气机的工作原理,（来流Mw1不变）反压 p2对超声速叶栅流动特征的影响,第三章,轴流压气机的工作原理,a、反压降低,b、反压提高,激波脱体后，反压的信息能够前传，滞止流线的位置开始下移，激波造成的总压损失增大和槽道激波处流通面积的减小使得流量开始减小；,第三章,轴流压气机的工作原理,（反压p2不变）来流Ma数对超声速叶栅流动特
23、征的影响,第三章,轴流压气机的工作原理,当来流Ma1继续增大，外伸激波和槽道激波会变得很斜，叶栅内部和出口都有可能是超声速流动，表明叶栅出口反压对于这时的 Ma1来说太低了。,第三章,轴流压气机的工作原理,来流方向对超声速叶栅流动特征的影响,第三章,轴流压气机的工作原理,第三章,轴流压气机的工作原理正激波脱体，正激波强度大；斜激波贴体，斜激波强度弱。,第三章,轴流压气机的工作原理,超声速叶栅流动特征：在来流相对速度超声速而其轴向速度分量为亚声速的情况下，由叶片引起的对流场的扰动可以传播到叶栅进口额线以前叶片前缘表面产生的激波、膨胀波和弱压缩波具有调整气流方向的功能，使气流趋向于平行于叶片表面流
24、动。这样，激波和膨胀波系后的叶型只工作于一个攻角，即唯一攻角,第三章,轴流压气机的工作原理流动处于堵塞状态（反压变化的信息不能前传至槽道激波前的超音区）；来流轴向速度分量为亚声速；激波附体（流量不随反压变化）。,第三章,轴流压气机的工作原理存在中和点B（E）及中和特征线。气流经过BC段DE段膨胀波时的折转角与气流通过叶片2的外伸激波时的折转角大小相等、方向相反。,第三章,轴流压气机的工作原理气流到达每一个槽道的中和特征线位置时，气流的方向是相同的，总是平行于中和点B或E的切线方向；只要流动堵塞和激波贴体，则在不同反压下，来流相对吸力面B或E点的攻角为零（唯一攻角）。,第三章,轴流压气机的工作原
25、理在实际的三维叶片通道中，即使某基元级处于堵塞状态，如果激波脱体，进入压气机的流量减少，唯一攻角也不一定存在。,第三章第六节,轴流压气机的工作原理压气机一级中的流动,当沿叶高将基元级叠加成压气机的一级以后，就出现了：端壁附面层流动；端壁角区流动；端壁间隙产生的间隙流动；端壁半径变化产生的径向流动。压气机一级的流动呈现出强烈的三维流动特性。,第三章,轴流压气机的工作原理,一、亚音压气机一级中的流动特征（1）端区附面层流动在端壁角区，端壁附面层和叶片表面附面层中低能气体的相互阻滞;角区的附面层增长很快，使得角区比其它区域更加容易产生流动分离。,第三章,轴流压气机的工作原理,（2）径向间隙流动,倒流
26、和泄漏流会改变间隙附近气流的出气方向，使该部位压气机的加功和增压能力下降、效率下降,倒流,泄漏流,第三章,轴流压气机的工作原理在间隙比较小的情况下，间隙流动中泄漏流占主要部分压力面的气体动能高、压力大，具有推迟或减小吸力面气体流动分离的能力,第三章,轴流压气机的工作原理,静子叶栅的通道涡,（3）通道涡流动主流区压力面静压高，端壁区压力面静压低;压力面附近的气流从静压高处流向低静压处，占据了端壁的气流通道;沿端壁流向静压更低的吸力面，在吸力面角区卷起，形成横跨整个叶栅通道的旋涡流,动。,第三章,轴流压气机的工作原理,通道涡的特点是成对出现，旋向相反，各占叶栅通道的一半叶片的弯度越大，所形成的通道
27、涡越强烈静子叶栅的通道涡,第三章,80,0.00,2k,1002,轴流压气机的工作原理h0.500.25,通道涡使静叶的出口气流角沿叶高的分布不均匀，出现过转（落后角平均落后角）现象。,第三章,轴流压气机的工作原理,动叶中的通道涡也是由压力面附近高静压的气体通过端壁附面层流向吸力面而产生的。动叶尖部的间隙涡与尖部通道涡的旋向相反，二者之间有相互抑制作用，动叶叶栅的通道涡和间隙涡,第三章,轴流压气机的工作原理,心力是,，而u cu。,（4）叶片表面附面层潜移流动动叶表面附面层内的潜流流场中沿半径方向存在着与气体微团运动时周向分速度 cu产2生的离心力 u 相平衡的压力梯度;r动叶表面的气体微团可
28、以看成是和叶片“粘”在一起旋转，离,u2r,第三章,轴流压气机的工作原理,在静叶表面也会产生叶片表面附面层潜移流动，但是潜移流动的方向与动叶相反，由叶尖向叶根潜移流动 。叶片表面的附面层向端区潜移会造成端区的低能气体的堆积，使得角区的流动容易产生分离，增加角区的流动损失。,第三章,轴流压气机的工作原理,（5）二次流动损失在叶轮机领域，通常将与主流区流动方向不一致的流动（倒流、潜流、泄漏流和通道涡）称为二次流动，由二次流动造成的损失被称为二次流损失。一级的流动损失除基元级损失（叶型损失）外，新增损失主要集中在叶根、叶尖两个端区。设计轴流压气机，可在动叶的端区多安排一些加功量，抵消端区流动损失大的
29、影响，使压气机出口的总压沿叶高接近一致。,第三章,轴流压气机的工作原理,二、超、跨声速级（动叶）流动特征超、跨声速压气机级一般出现在压气机的进口级；超声速压气机级是指动叶从叶根到叶尖的来流相对M w1都大于1.0。跨声速压气机级是指动叶叶尖的 M w1大于1.0，叶根的 小于1.0。,第三章,轴流压气机的工作原理,（1）流动的三维性强流场中的三维激波形面与动叶前缘的空间走向以及叶片型面沿展向的变化密切相关。空间激波形面的三维性造成流动的三维性增强。内、外流道半径的变化造成端区流动的三维性强。从平面叶栅二维流动实验中总结出来的经验和规律，在超、跨声速动叶设计中的适用性大为降低。槽道激波沿叶高位置
30、(轴向)变化,第三章,轴流压气机的工作原理,（2）流动易堵塞动叶从叶根到叶尖都出现了横跨整个槽道的贴体激波时，反压变化的信息不能前传，降低出口反压，流量也不再增加了，即出现了流动堵塞现象。多级压气机中，如果进口级是超、跨声速级，则进口级的气流通过能力对整个压气机空气流量的大小起决定性的作用。,第三章,轴流压气机的工作原理,（3）对进口流场敏感超、跨声速动叶叶型的前缘比较尖，前缘叶片厚度也比较薄；在设计状态下，来流对准叶片时，可以有很好的气动性能；一旦来流方向改变，来流不是正对着叶片时，尖劈形前缘叶型的气动优势很快就会丧失。,第三章,轴流压气机的工作原理,前掠叶片理论前掠叶型可以减小叶尖激波强度；前掠叶型可以提高叶尖抗来流畸变能力。,第三章GE90-115BSwept Blade,轴流压气机的工作原理Front View,第三章,轴流压气机的工作原理超声速流场中扰动的传播,二维马赫线,三维马赫锥,第三章,前掠,轴流压气机的工作原理后掠,前掠叶片马赫波相交处离波源远，产生的激波弱；后掠叶片马赫波相交处离波源近（相对前掠），产生的激波强（相对前掠）。,
