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1、20:26:23,1,第三章轴流式压气机原理和结构,第二节轴流压气机的工作特性,2,20:26:23,轴流式压气机的工作原理压气机的特性曲线压气机的喘振及防喘措施轴流式压气机的结构,3,20:26:23,第二节轴流压气机的工作特性,一、单级轴流压气机特性二、多级轴流压气机特性三、压气机通用特性四、压气机的不稳定工况与扩稳五、压气机相似准则,4,20:26:23,一、单级轴流压气机特性,在一般的情况下，压气机的工作状况是由进口压力Pa*、进气温度、转速n和流量等四个独立变量决定的。在进气条件一定和转速不变的条件下，压气机的压比、效率随流量变化的关系通常称为压气机的流量特性。用曲线表示这些参数之间
2、的关系称为特性曲线。,5,20:26:23,1.单级压气机特性曲线的变化规律分析,大流量工况,小流量工况,设计点工况,6,20:26:23,2.单级轴流式压气机的流量特性,（1）随着压气机流量Gv的减少，C起初升高，然后下降。每条特性线的高压比点将特性线分成左、右两支。右支对应随Gv减少时压比增加的情况，左支则对应随Gv减少时压比下降的情况。,7,20:26:23,（2）当流量Gv减少到一定值时压气机的工作进入不稳定工况区，即进入喘振区。每个转速下的流量特性线都有自己产生喘振时的最小流量Gvmin。各转速下喘振流量点之联线称为喘振边界线。,8,20:26:23,（3）随着压气机转速的升高，流量
3、特性线变得陡直。,9,20:26:23,（4）在一定的转速下，当Gv增加到某一值时，压比和效率均急剧下降。这表明，Gv的增加是有一定限度的，我们把这个现象称为压气机的“阻塞”。在不同的转速下，发生“阻塞”的Gv是不同的。,10,20:26:23,3.单级压气机的实验特性曲线亚声速压气机超跨声速压气机,11,20:26:23,1.为什么压气机级数远大于透平？,要使每级压比增大,加大气流折转角,加大u,叶片弯曲程度加剧,叶片背弧处易发生边界层分离,压气机易喘振,二、多级轴流压气机特性,12,20:26:23,由于轴流式压气机的单级增压能力是有限的，特别是亚音速级，每级增压比只有1.151.3，最高
4、也不大于1.4（超音速级可以高一些），所以，工业燃气轮机均采用多级式轴流压气机，使压比高达1730。,13,20:26:23,2.多级轴流压气机在非设计工况下级间的不协调性,若工作压比高于设计值，此时流道收缩太慢，轴向速度逐级加速变小；,第一级,第二级,末级,若工作压比低于设计值，此时流道收缩太快，轴向速度逐级加速变大。,14,20:26:23,15,20:26:23,3.四类非设计工况分析之一,（一），在设计转速，工作点位于红点处。此时流量大于设计值，压比小于设计压比。第一级流量系数大于设计值，由于各级压比小于设计值，导致后面级流量系数加速放大，并容易出现堵塞。这也是多级压气机的特性线要更陡
5、峭一些的原因。,16,20:26:23,目前燃气轮机中采用的压气机，由于设计工况下的压比较大，流向动叶片的气流相对速度已经很大，增大空气流量（变工况）时，在流道的喉部截面（最小截面）上速度很快达到局部声速而“阻塞”。,17,20:26:23,四类非设计工况分析之二,（二），在设计转速，工作点位于红点处。此时流量小于设计值，压比大于设计压比。第一级流量系数小于设计值，由于各级压比大于设计值，导致后面级流量系数加速变小，此时容易出现喘振。,18,20:26:23,四类非设计工况分析之三,（三），在中低转速，工作点位于红点处。此时流量小于设计值，压比小于设计压比。第一级流量系数远小于设计值，由于各级
6、压比小于设计值，导致后面级流量系数加速放大。这就是压气机在中低转速容易出现前喘后堵的原因。,19,20:26:23,四类非设计工况分析之四,（四），在超转的情况下，工作点位于红点处。此时流量大于设计值，压比也大于设计压比。第一级流量系数大于设计值，由于各级压比大于设计值，导致后面级流量系数加速变小。此时容易出现前堵后喘的情况。,20,20:26:23,4.多级轴流式压气机的流量特性,（1）多级压气机的特性曲线较陡，流量变化范围也较窄，尤其在高转速情况下，流量的微小改变都会引起压升比很大的变化。,21,20:26:23,（2）多级轴流式压气机中的喘振可以在压比特性曲线的右支上发生，实验时得不到这
7、些曲线的左支。这是由于减少空气流量时，喘振不是在所有各级中同时出现，而只是在少数几级中出现。这时，其余各级还在特性曲线的右支部分工作，即在空气流量减少、压气机压升比增加的部分工作。,22,20:26:23,什么是“特性曲线”？为什么要使用通用特性曲线？,三、轴流压气机通用特性曲线,23,20:26:23,1.压气机通用特性实验测量截面的布置测量参数的获得流量的调节反压的建立换算特性特性曲线的绘制,2 进口集流器；3 流量管壁面静压孔；5 进口导叶；6 压气机转子；8 压气机静子；9 压气机出口总压梳；10 出口总压耙；11 异步交流电动机；12 排气管道；13 流量调节堵锥。,测得大气条件为P
8、0*、T0*，电机额定转速为n，流量管直径为D，根据测量获得的以下数据，绘制轴流压气机通用特性曲线,24,20:26:23,求解（1）由流量管静压，可获得压气机流量。,换算到标准大气条件下的折合流量为：,（3）压气机增压比为：,（4）绝热效率计算如下：,（2）压气机折合转速：,25,20:26:23,以换算（折合）参数表示的轴流压气机的通用特性,则折合流量和折合转速分别为,26,20:26:23,2.认识通用特性曲线,自变量相似流量,参变量相似转速,变量压比、效率,等转速线,等效率线,不稳定边界,27,20:26:23,压气机的通用特性曲线是由等折合转速线、喘振边界线和效率特性线等三部分组成的
9、。,28,20:26:23,四、压气机的不稳定工况与扩稳,定常与稳定的区别,29,20:26:23,失速裕度的定义,增压比稳定裕度,综合稳定裕度的定义,对于航空发动机用的压气机，一般情况，在设计转速下，压气机失速裕度应为1520%左右。AL31F进口风扇级的失速裕度达到30%!,流量稳定裕度,30,20:26:23,不稳定工况的分类,压气机非稳定工况可以分为两大类。第一类属于气动弹性现象，这时叶片的振动属于自激振动，这种现象被称之为颤振。这种现象不在这里介绍。,第二类是单纯气动现象，它也会激发叶片的振动，但这种叶片振动性质属于他激振动。第二类非稳定工况又分为两种：一是旋转失速或称旋转分离；另一
10、种是喘振现象。二者既有差别又有联系。,31,20:26:23,1.旋转失速,当转速一定而空气流量减少时，就会引起转子动叶攻角的增加。空气流量减少到一定程度就能观察到不稳定流动，同时压气机发出特殊叫声，振动也增大。在转子后测得的流场表明，有一个或多个低速气流区以某一转速沿动叶旋转方向转动，这种非稳定工况被称为旋转失速。,32,20:26:23,压气机在一定转速下工作时，由于某种原因而出现流量增大，冲角i将随轴向分速C1z的增大而减小、变为负值，在负值过大时，气流在叶片的腹面上产生附面层分离，此时叶片的通道变小，甚至出现喉口堵塞或变成“风车”状态。出现这种情况，会使效率下降，流量受到限制。,33,
11、20:26:23,但是，这个脱离区不会继续发展。不至于发展形成气流的倒流现象。,原因,惯性力,压比减小,34,20:26:23,当压气机的转速一定，流量减小时，Clz下降，使冲角i增大，产生正冲角，到正冲角过大时，会在叶背引起气流分离这就是失速现象。这时气流转折角增加，扭速也增加，从而使叶栅通道中沿气流方向的压力梯度增大，气流拐弯产生的离心力场加剧了叶背的气流分离。失速使效率明显下降，甚至会导致喘振的发生。,35,20:26:23,实践证明，压气机叶栅中出现的失速区不是静止不动的，它围绕着叶轮轴线以低于叶轮的转速连续地旋转，所以这种失速现象称为旋转失速。,36,20:26:23,旋转失速出现后
12、，叶片会受到周期性交变的气动力作用，叶片材料会因此而产生疲劳。如失速频率接近叶片自振频率，将会使叶片产生很大的振动应力，造成叶片损坏。,37,20:26:23,38,20:26:23,旋转失速现象的经典解释,当流量减少时，动叶排中的某几个叶片可能率先出现分离，于是这些叶片前面出现了明显的气流阻塞现象，受阻滞的气流区使周围的流动发生偏转，从而引起左面叶片攻角增大并分离，同时引起右面叶片的攻角减小并解除分离，因而分离区相对于叶片排向左传播，即相对转子叶片按照叶片旋转方向相反的方向转动。,站在绝对坐标系上观察，旋转失速团以比压气机转速为低的速度，和压气机旋转方向相同作旋转运动。,39,20:26:2
13、3,失速的不同类型,有些情况下，失速团会贯穿整个叶高，这时，失速团通常只有一个。这样的失速形态一般发展为突变性失速。突变型失速较多地产生在轮毂比较大的压气机中，由于叶片短，旋转失速一旦产生就可能波及整个叶高。,有时，失速团有多个，但每个失速团都没有贯穿叶高。其失速形式称为部分展向失速。在一定的条件下，渐进型失速也可以发展为突变型失速。,40,20:26:23,41,20:26:23,旋转失速的主要特征：,旋转失速时，失速团沿压气机周向运动，造成周向不均匀流动，流场是非轴对称的；,渐进型失速时，随流量降低，压气机的压升逐渐减小；突变型失速时，压升会发生突然的下降；,旋转失速时，其气流脉动频率和脉
14、动振幅与流路容积特性无关，主要取决于压气机的工况（轴向速度和转速）。,危害：频率高、强度大，叶片疲劳断裂。,42,20:26:23,2.喘振(1)喘振的定义：,旋转失速的发展会导致压气机喘振。压气机的工质流量和气流参数的时大时小的低频周期性强烈振荡，称为喘振。喘振是压气机的一类气动失稳现象，其流量和压升具有周期性的高振幅振荡，时而体现为非失速的正常流动，时而表现为低流量低压升的失速流动。,43,20:26:23,(2)喘振现象,喘振时，压气机的出口压力、流量等参数会出现大幅度的波动，机组的转速和功率都不稳定，并伴有强烈的机械振动，发出低沉的噪声。,44,20:26:23,(3)喘振发生的物理机
15、理,流量减少，攻角增大，叶背出现分离；,当分离区扩展至整个压气机叶栅通道，这时压气机转子丧失了将气流压向后方，克服后面高反压的能力，于是流量急剧下降；,出口的高压气流会向进口方向倒流，此时反压降低，由于压气机轮缘功的作用，流量又开始增加，并大致沿等转速线由低压升迅速发展为高压升小流量的状态；,只要高反压环境继续维持，这种周期性的喘振现象就不会终止。因此，喘振总是经历流动、分离、倒流、再流动、再分离、再倒流的循环过程。,45,20:26:23,(4)喘振的产生过程,流量减少,旋转失速,流量继续减少,叶背气流严重失速,堵塞压气机通道,下游的高压气体会产生倒流,正向压力梯度消失,叶片作用,气流又沿正
16、方向流动,流量过小，失速区又会迅速扩大而产生堵塞,下游气体再度倒流,轴向振荡 喘振,反复,46,20:26:23,(5)喘振发生的位置,当压气机工作转速小于设计值时，首级将发生旋转失速，并可能导致喘振；当压气机工作转速大于设计值时，末级将发生旋转失速，并可能导致喘振。,图3-34 转速低于设计值时各级冲角的变化（a）首级；（b）中间级；（c）末级,47,20:26:23,(6)喘振的主要特征,压气机出口总压和流量大幅度的波动；,压气机内部形成逆向的轴向流动；,发出音调低而沉闷的放炮声；,非常强烈的机械振动；转速不稳定。,喘振时，其气流脉动频率和脉动振幅与流路容积特性相关，频率低、强度大。,只要
17、具备一定的出口高反压管路系统，旋转失速基本上会成为喘振的前奏。,48,20:26:23,防喘振方法通常有中间放气、采用旋转导叶和分轴压气机等。尽管方法不同，但指导思想都是通过减小非设计工况时的冲角变化来保持压气机工作的稳定性。,(7)压气机扩稳措施,49,20:26:23,（a）气动设计中的扩稳措施,重点是考虑多级压气机的前面级和后面级,第一级动叶宽弦设计、机匣处理设计、大稠度,末级宽弦设计、大稠度、端弯设计、组合叶栅,各级设计攻角的限制，D因子的限制,其它气动设计措施：如边界层吸附等。,50,20:26:23,（b）压气机中间级放气,51,20:26:23,放气是从多级轴流式压气机通流部分中
18、间的一个或几个截面上引出空气，排放到大气中或重新引回压气机进口。放气系统打开，这时，放气口截面前后的空气流量是不等的，前几级的容积流量增加，相应地轴向速度和流量系数增加，从而消除了冲角过大引起失速和发生喘振的可能性。由于前面级的工作条件的改善以及压比和效率的提高，末级的空气密度增加，流动条件也得到改善。,52,20:26:23,放气防喘的工作原理,高换算转速情况后面级压气机可能发生喘振，应采用“末级”放气，减少后面级压气机攻角，退出喘振。,放气防喘的不利将1525的压缩空气放掉没有利用；仅适用于增压比10以下的多级轴流压气机。,低换算转速情况多级压气机的不稳定工作特点是“前喘后堵”，采用“中间
19、级”放气，可增大前面级流量，解除后面级的堵塞状态。,53,20:26:23,（c）旋转导叶（可调静叶）,将导向叶片制作成可以按照叶片本身的一条轴线旋转，从而使叶片的安装角得以改变的方法。,54,20:26:23,（c）旋转导叶,在低转速时，前几级出现过大的正冲角，如果减小导叶的安装角，使动叶栅进口的绝对速度流入角得以减小，那么就可以消除偏离设计值的正冲角，从而扩大了压气机的稳定工作范围。,55,20:26:23,（c）旋转导叶,相对放气而言，它无放气损失。此外，当叶栅的流入角改变时，流出角的变化一般不大，所以导叶旋转后动叶栅的扭速将减小，即该级的耗功和压比都减小，特性线上的等速线将移向低压比、
20、小流量处。,高压比的压气机其前面数级往往采用跨声速级，不仅在启动时且在较大的功率范围内，扩大压气机的稳定范围都是很重要的问题。这时不仅进口需要导叶可调，且前几级静叶亦要求可调。,56,20:26:23,（c）可调进口导流叶片和静子叶片,57,20:26:23,可调进口导流叶片和静子叶片的优点不仅可以达到防喘目的，而且非设计点效率高；改善发动机的加速性；适用于高增压比发动机。,可调导流、静子叶片的发展可变弯度叶栅。,58,20:26:23,（d）双转子发动机,59,20:26:23,双转子压气机的工作原理压气机的情况在低换算转速下工作时，压气机的前面级正攻角增大而后面级攻角减小，可能出现“前喘后
21、堵”“前重后轻”；在高换算转速下，表现为“前堵后喘”“前轻后重”。,涡轮的情况在低换算转速下，后面级涡轮作功能力急剧下降（或明显下降），而前面级涡轮作功能力无明显下降。在高换算转速下，后面级涡轮作功能力明显上升，前面级涡轮作功能力变化不明显。,双转子发动机的优点可以在宽广的范围内工作仍保持较高的压气机效率；自动防喘；容易起动等。,60,20:26:23,对单转子压气机而言，低转速时，前几级冲角太大，易于喘振，且使加功量增加；后几级为负冲角太太，易于产生堵塞，使耗功减少。因此，前几级加功与后几级加功的比值与设计转速时相比就要增加，相当于前几级负荷加重而后几级负荷减轻。,分轴压气机可在宽广的工况下
22、工作，效率较高，不易喘振，并具有容易启动等优点，使它获得了广泛的应用。显然，它的缺点是结构复杂，给制造带来困难。,61,20:26:23,通常，当压气机的设计压比不超过44.5时，因工况偏离设计工况不大，不采取防喘振措施各级还能协调地工作。当设计压比达到67时，如不采用中间放气或转动导叶等防喘振措施，则难以避免喘振。当压比高达1012时，就需要在好几个截面上放气，并且同时旋转好几级静叶，否则压气机在低转速工况下很难正常工作。如果压比更高，在单轴压气机中有时已无法有效地防止喘振，这时，往往需要采用双转子甚至三转子压气机结构。当然，它需要同时采用放气和压气机多级静叶可调的防喘措施。,62,20:2
23、6:23,五、压气机相似准则和通用特性,(一)压气机相似准则(二)压气机的通用特性,63,20:26:23,(一)压气机相似准则,1、相似理论是流体力学、叶轮机械实验研究的理论基础,飞机缩尺寸模型的风洞试验,64,20:26:23,624所单、多级压气机实验台,重点实验室跨声速压气机实验台,65,20:26:23,2、设计与改型的重要武器,66,20:26:23,设计加零级的例子美国J69发动机,67,20:26:23,相似是我们经常会碰到的概念，譬如相似三角形的概念等。,相似概念的内涵,物理现象的相似 两个物理现象相似是指在对应点上对应瞬时所有表征现象的相应物理量都保持各自固定的比例关系（如
24、果是向量还包括方向相同）。,68,20:26:23,（1）几何相似,式中 长度比例系数,69,20:26:23,（2）运动相似,式中 速度比例系数,70,20:26:23,（3）动力相似,式中 受力大小比例系数,71,20:26:23,定义无量纲相似参数如下：,雷诺数（Renold,马赫数（Mach）,弗劳特数（Froude）,由上可知，动力相似要求：Re，Ma，Fr数分别相等。,72,20:26:23,1、对气体，不计重力的影响。动力相似只需要雷诺数、马赫数相等。,通常情况下的两个简化,2、实验证明，当 时，粘性力的作用远小于惯性力的作用，整个流场受雷诺数变化的影响不大，即流动进入自动模化区
25、，雷诺数作为相似准则之一已经弱化。此时，只要保证马赫数相等即保证了动力相似。,3、由气体动力学可知，在几何相似、流动进入自模区的前提下，只要叶栅进口Ma数（包括大小和方向）相同，则全流场处处压强比、速度比、温度比等无因次参数保持不变。,73,20:26:23,在多级轴流压气机中，利用速度三角形可以证明，只要第一级压气机的进口轴向马赫数和动叶切线马赫数保持不变，则压气机的所有各级的叶栅进口马赫数和出口马赫数也保持不变。,74,20:26:23,若新的“零级”级压比为2.0、效率为0.88时，原轴流压气机级转速提升多少？空气流量能增大多少？,在什么截面上应用如下等式？,是否满足雷诺数大于2105？,“加零级”设计的相似准则,75,20:26:23,求解：（2）“零级”后的总温为：,满足相似准则所需达到的新转速、流量：,76,20:26:23,END,
