燃气轮机原理4.ppt

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1、燃气轮机原理,第四讲 压气机工作原理,一、概述二、轴流式压气机的结构三、压气机级的工作原理四、压气机工作过程的特点五、压气机级中的能量损失六、压气机变工况及特性曲线七、压气机的不稳定工况,生活：风扇工业：鼓风机、叶片式水泵发电：水轮机、蒸汽轮机航空、舰船：螺旋桨、风扇、压气机、涡轮工质：气体、液体、两相流体叶轮机概念：以连续旋转叶片为本体，使能量在流体工质与轴动力之间相互转换的动力机械。,特别重视气流的组织，尽量使流阻损失最小，使能量交换和能量转换最为有效。,共同的特点：都有叶片只做旋转运动，不做往复运动,一、概述（叶轮机）,2、叶轮机的发展概况南宋高宗（1131-1162）走马灯燃气涡轮利用

2、燃烧灯火产生的热气上升，推动带纸叶片的叶轮，使装在叶轮上的纸影回转,2、叶轮机的发展概况中国古代玩具 竹蜻蜓螺旋桨20世纪30年代 航空事业迅速发展促进了热力学、空气动力学、机械学和冶金材料的发展20 世纪30年代末 涡轮喷气发动机（压气机）20世纪40年代初 气体动力学理论和实验方面取得重大进展大量、系统的平面叶栅实验，并从理论上成功地对这些实验结果进行总结和概括,2、叶片机的发展概况（续）20世纪50年代末-70年代中期高速、高负荷、高失速裕度和高迎风面积流量的进口级超、跨声速压气机（风扇）高负荷、高效率、大尺寸单级跨声速风扇高速、高负荷、高效率和高失速裕度核心压气机高增压比离心式压气机近

3、十几年 先进蜂窝结构的高效率、宽弦长、无阻尼台风扇叶片高亚声速可控扩散压气机叶型改进效率和失速裕度的“端弯”叶片和“拱形“叶片改善气动稳定性并减小损失的”前掠“和”后掠“叶片改进的”带叶片“式的处理机匣主动间隙控制技术多通道冷却三维单晶叶片对转涡轮,定义：以机械动力提高工质压力并伴有温升的，向燃气轮机燃烧室输送工质的旋转叶轮机械。,压气机,分类：,特点及应用：,主要介绍轴流式压气机的基本理论。（有些原理及方法也适用于离心式压气机）,燃气轮机压气机型式：轴流式：气流轴向流入和流出，气流通过叶栅通道实现增压应用：大型或中型航空燃气轮机优点：效率高、径向尺寸小、适合于多级结构 流通能力强径流式：气流

4、轴向流入，径向流出，离心增压应用：离心式压气机小型航空发动机优点：结构简单、轴向长度小 特性宽广、单级增压比高 斜流式：气流轴向流入，斜向流出。静压增加=扩压叶栅作用+离心增压应用：工业鼓风机 混合式：若干级进口轴流级压气机+离心式压气机优点：轴流级压气机+离心式压气机应用：现代小型航空燃气轮机,二、轴流式压气机的结构,气体质点大体沿着与旋转轴平行的圆柱形回转面上运动。燃气轮机中，轴流式压气机一般是多级的。轴流式压气机有两部分组成：定子和转子。,（1）压气机的定子部分（静子）,机壳（气缸）及固定在其上的静叶片、进出口导向叶片等零件，这部分固定不动。气 缸 静子的核心，其他静子部件固定在上面。整

5、台机组的承力骨架，承受机组的重量、压缩空气的内压力以及其它的作用力。气缸的主要矛盾是刚性，目前广泛采用气缸外表面加筋来提高其刚性，以减小振动、变形，提高效率。,静 叶,静子：由若干圈安装在机壳（气缸）上的叶片组成。导流器或静叶栅：静子上的一圈叶片。导流叶片或静叶：组成导流器的叶片。静叶的功能：把气流动叶片获得的动能转变为压力能，以提高静压，同时使气流转弯以适应下级动叶的进口方向。扩压、导流,压气机气缸及静叶组,叶片组安装在气缸内部,（2）压气机的转子部分（转子）,压气机的旋转部件，包括轮盘、轴、动叶以及装在一起的其它零件，如联轴器、气封等。转 子 由许多叶片安装在轮盘或整体式的轮毂上，与主轴一

6、起组成的高速回转部件,对强度有较高的要求。它把从涡轮转来的扭矩传给动叶以压缩空气，提高气流静压和动能。扩压、增速 动叶栅或工作叶栅：安装在转轮上的一圈叶片（一个叶列）。动叶或工作叶片：动叶栅中的叶片。工作叶轮：每列动叶栅与带动它的转盘部分一起组成。将转子上的机械功传给气体，增加气体的压能和动能。,压气机转子,（3）压气机的通流部分,轴流式压气机内的动叶栅和静叶栅在轴线方向交替排列，每一列动叶栅后面都有一列静叶栅。由各列叶栅的通道组成压气机轴向通道，就是气体的流动通道，称为压气机的通流部分。在压缩的过程中，气体压力升高、密度不断增大，则气体容积逐级降低；气体的轴向速度基本不变，则压气机的通流部分

7、应逐级收敛，即沿气流流动的轴向方向上，叶片的高度是不断缩短的。,进气管：压气机机壳进口处的气流通道。进口收敛器：布置在进气管的后面。使进入压气机的气流获得适当的加速，保证进口导流器前的气流具有均匀的速度场和压力场。进口导流器：位于第一个工作轮前面的一列静叶片，均匀在气缸上。使气流沿叶片高度以一定速度和方向进入第一级工作叶轮中。,压气机入口导叶调节阀,出口导流器：最后一级静叶栅后面、均匀在气缸上的一列导向叶片。使最末一级静叶片出来的气流沿叶片高度转变为轴向流动。出口扩压器：在压气机通流部分出口、输气管前面形成的一段环形结构。使出口导流器中流出的气流均匀地减速，将部分剩余的动能（余速）进一步转化为

8、压力能。输气管：压气机机壳出口处的气流通道。,（1）压气机级一列动叶栅和它后面的一列静叶栅共同组成轴流式压气机的一个级。通常是由若干个级串联组成的多级压气机，各级的工作原理类似。压气机级的工作原理是基础。,由于单级压比较小，大约1.151.35，若总压比为617，那么需要816级组成的多级压气机。,三、压气机级的工作原理,工作轮/转子：动叶,整流器/静子：静叶,动能压力势能导引气流方向给下级动叶,若干个级,动叶叶栅,静叶叶栅,若干个基元级,多级轴流压气机,思考题一：何为轴流式压气机的基元级？,压气机简图,（2）基元级,圆柱面上的基元级,展开在平面上的基元级,三个特征截面：级前1、级间2和级后3

9、,用假想的同轴圆柱面切割级的叶片排所到的高度无穷小的级。,（3）压气机级内气流参数的变化规律,在动叶进口截面1-1处，气流静压力p1、温度T1、流速c1。当气流流过动叶栅时，动叶对气流做功，将轴上的机械能转换成气体的能量（焓及动能增加）。则在动叶出口截面2-2处，气流静压力、温度及速度都提高了。但气流在动叶中的相对速度w减小。当气流流过静叶栅时，静叶栅的渐扩通道使气流动能变成压力能，则气流流速下降，静压力进一步提高，温度稍有增加。,压气机动叶静叶气流图,图中蓝色叶片是静叶，绿色叶片是动叶，橙红色箭头表示空气气流的走向。通过静叶整流后，空气运动方向转回轴向，再进入二级动叶压缩，可提高压缩效果。,

10、（4）叶型与叶栅的几何和气动参数,叶型的几何参数 叶型 型线 中弧线 弦长b 前后缘方向角 叶型的弯曲角,叶型：叶片横截面形状。,型线：叶型轮廓线，包括背弧型线、内弧型线及二者的连接圆弧线。,中弧线：叶型型线所有内切圆圆心的连线。,弦长：型线在弦线方向的投影长度。外弦长b内弦长中弧线两端点的连线。,前后缘方向角：叶型前、后缘点处中弧线的切线与外弦线间的夹角。,叶型的弯曲角：表征叶型弯曲程度的角度。=1+2,叶栅的几何参数 叶栅前后额线 叶型安装角p 栅距t 入口安装角1j 出口安装角2j,叶栅前后额线：叶型前、后缘点的连线。,叶型安装角p：外弦线与圆周方向的夹角。,栅距t：两个相邻叶型上同位点

11、在圆周方向上的距离。,入口安装角和出口安装角：叶型中弧线在前缘点和后缘点的切线与叶栅前、后额线的夹角。,主要气动参数 进出气角1和2 进口冲角（攻角）i=1j-1 出口落后角=2j-2 气流转折角=2-1,进出气角：气流进、出口相对流速与叶栅前、后额线的夹角。,进口冲角：叶栅的入口安装角与气流进气角之差。,出口落后角：叶栅的出口安装角与气流出气角之差。,气流转折角：气流出气角与进气角之差。,压气机叶片,（5）基元级的速度三角形,u,动叶栅,静叶栅,轴,动叶进口处来流速度C1，与周线方向(叶栅的额线)的夹角为1；动叶栅以u运动，那么气流以相对速度进入动叶栅，与叶栅的额线的夹角为1，称为气流的进气

12、角。,c1,1,w1,w1=c1-u,c1,w1,u,余弦定律：,1,1,u,动叶栅,静叶栅,轴,动叶出口处气流流过动叶栅通道时，改变了方向，以相对速度w2流出（w2w1，压力升高扩压）；气流拐弯，则使出气角2大于进气角1；动叶栅以u运动，那么气流以绝对速度c2流出动叶栅，与叶栅的额线的夹角为2。,c1,1,w1,c2=w2+u,w2,u,余弦定律：,c2,w2,c2,2,2,（5）基元级的速度三角形,u,动叶栅,静叶栅,轴,静叶栅气流流过动叶栅后进入静叶栅，因u=0，气流以绝对速度c2、气流角为2流入静叶栅，而后以绝对速度c3、气流角为3流出静叶栅。静叶栅不存在速度三角形。静叶栅具有渐扩通道

13、，气流速度下降c3 c2，压力升高。一般c3 c1、3 1，即各基元级入口的绝对速度大小方向基本相同。,c1,1,w1,w2,c2,c3,3,（5）基元级的速度三角形,正圆柱基元级的速度三角形 在压气机分析研究中，常把基元级三个特征截面的气流速度画在一起。,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u,u,叶栅额线,c3,基元级的速度三角形,注意：定性地做出w1、w2、c1、c2的相对大小（w2c1）；标出相应的气流角1、2、1、2（21、21）；标出圆周速度u（大小方向）；在亚音速范围内，气流轴向分速度的变化相对较小，近似认为 c1x c2x c3x cx（实际情况轴向分速有些减小）,正圆柱基

14、元级的速度三角形,2,1,2,1,w1,w2,cx,c1,c2,u,u,叶栅额线,轴向分速度cx,2,1,1,2,（4）几点说明,如果回转面不是正圆柱面，如离心式压气机时，则u1u2，c1xc2x。动叶栅进出口通流截面积f2f1，进出口相对速度w2 w1，且分别与f2、f1相垂直；气流流过动叶栅和静叶栅时，都是减速增压过程。气流流过动叶栅时，相对速度下降，其方向发生变化，即出现了气流的偏转，气流转折角为：=2-1,基元级的速度三角形,2,1,2,1,w1,w2,cx,c1,c2,u,u,叶栅额线,轴向分速度cx,2,1,1,2,气流转折角,气流转折角 的作用,转折角 的大小与相对速度下降的程度

15、呈正比。从气流转折角的大小，可判断叶栅的扩张度，即叶栅的增压能力。转折角 越大，叶栅的通流面积扩张越大，其增压能力就越强。但转折角 过大，会引起气流流动恶化，级效率降低。通常最大转折角max不超过40 45。,（5）基元级的速度三角形,气流的绝对速度、相对速度和圆周速度的矢量关系：,扭速：相对速度的圆周分量变化量。(反映外界对气体做功量的大小。),气流速度在基元级内的变化规律,气流通过基元级动叶栅时，绝对速度增加（动能增加）、相对速度下降（压力升高）；气流通过静叶栅时，绝对速度下降（动能减少、压力升高），而且流出基元级时的绝对速度大致可恢复到级前的水平。速度三角形是分析研究基元级工作原理的重要

16、工具。,气流速度的变化是反映能量转换的重要表达式。,级中能量转换计算动叶栅加功量(对单位质量气体),（6）压气机级中的能量转换关系,静叶栅（能量守恒）,（6）压气机级中的能量转换关系,级中增压过程外界通过工作叶轮上的动叶栅将压缩轴功传递给流过动叶栅的空气，一方面使气流的绝对速度升高，另一方面使气流的相对速度降低；气流在流过动叶栅时的相对速度降低，一部分抵消摩擦损耗，一部分转换成气体的压力势能，使气体的压力升高；气流在流过静叶栅时绝对速度降低，一部分抵消摩擦损耗，一部分进一步转换成气体的压力势能，使气体的压力升高。,（7）轴流式压气机的级效率,（7）轴流式压气机的级效率,基元级的效率：气体压缩的

17、有益功和实际耗功之比。,等熵（绝热）效率：理想基元级等熵（绝热）压缩功与外界实际输入基元级的机械功（基元级多变压缩功与摩擦损失功之和）之比。,二者相差不超过0.5%1%,用静参数表示：,用滞止参数表示：,（7）轴流式压气机的级效率,多变效率：多变压缩功与实际耗功（基元级静参数多变压缩功与摩擦损失功之和）之比。,多变效率只与压缩过程的平均多变指数有关。,1、反动度不同结构的压气机，在动叶栅和静叶栅中静压升高的比例不同。定义：气流在动叶栅中的实际静焓增量与基元级的滞止焓增量之比，即 物理含义：外界加给气体的机械能，有多少是在动叶栅中转变成气体的压力能（静压）。热力学反动度用热力学参数表示,（8）基

18、元级的反动度,运动反动度：用运动参数表示,c2,c1,cx,c1u,c2u,cu,（2）反动度c=0.5,速度三角形的特点：,动叶栅进出口的速度三角形是完全对称的。此时动叶、静叶的通道形状均匀渐扩且完全相同。,c=0.5时能量转换的特点：工作叶轮加给气体的机械功中，在动叶栅中用来提高静压和增加动能的量是相等的；这部分动能又在静叶栅内转化为压力能。,动叶栅和静叶栅的增压能力各占一半。c=0.5的基元级在轴流压气机常被采用。,（3）反动度c=1,速度三角形的特点：,c=1时，静叶栅无扩压任务。静叶栅的通道是等截面的。,c=1时能量转换的特点：静压力的升高全部在动叶栅中获得。气流在静叶栅中仅改变方向

19、而无扩压。,c=1的基元级常用在固定式压气机中。,实际压气机设计中，一般采用c=0.50.8。,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。,亚声速基元级,四、压气机工作过程特点,叶片表面静压分布,背弧前段降压加速区；背弧后段减速增压区，背弧出气边容易产生脱离。,叶背流动分离,平面叶栅冲角特性,不同冲角下的叶片表面气流分离,正冲角较大，背弧上出现严重分离；负冲角较大，在内弧出现气流脱离。,提高压气机的级压比,u一定，增加扭速，增大转折，增大叶型弯曲角。,弯曲角 一定，扭速

20、一定，增大u。,影响压气机级的增压能力的因素（限制条件）叶片材料许用应力（强度）的限制 圆周速度u不能过大叶栅气动性能的限制 气流转折角不宜过大,内部损失 型阻损失40%叶栅表面附面层中产生的摩擦和脱离现象引起；叶片表出口尾迹中的涡流以及与主流的掺混；在超音速气流中发生的激波现象等引起的能量损失。端部损失20%端部摩擦 二次流损失40%双涡损失 径向间隙端流动损失 潜移损失外部损失 支持轴承和止推轴承上的机械摩擦损失；（相应的减损措施：采用高效轴承、适当润滑等措施）经过高压转子轴端与机匣之间的间隙泄漏到外界去的漏气损失。（相应的减损措施：增设气封装置）,五、压气机级中的能量损失,压气机级的主要

21、流动损失环壁附面层中的摩擦损失,为形成级的空间流动，结构上增加轮毂机匣和轮缘机匣，黏性气体绕流时，在两个固壁机匣形成附面层，称“环壁附面层”或“端壁附面层”,环壁附面层内存在摩擦损失环壁附面层阻滞作用叶型附面层厚度提前分离或加剧分离叶型附面层阻滞作用环壁附面层厚度,端壁区叶栅效率,径向间隙引起的损失(倒流与潜流),为避免压气机转子旋转时，动叶与轮缘壁面摩擦，在叶尖与外壁面之间留有一定的间隙径向间隙“倒流”或“潜流”,倒流：由于出口压力大于进口压力，发生沿着径向间隙倒流到叶排进口的现象潜流：在叶尖处，由于叶盆和叶背存在着压差，气流从高压一边通过径向间隙潜流到低压一边。,“倒流”和“潜流”叶尖基元

22、级的增压和加功能力和效率径向间隙损失是流动损失的主要组成部分（特别后面级，叶片短，径向间隙百分比较大，取值0.5%1%）,方法：石墨、滑石粉涂层主动间隙控制技术：利用热的或冷的气体去吹机匣，使机匣随发动机的工作状态产生相应的热膨胀或冷收缩来控制叶尖和机匣的径向间隙。,间隙涡和通道涡引起的损失,间隙涡：出于间隙的存在，气流由叶盆经过间隙流向叶背卷起的旋涡通道涡：叶盆区高静压气流经过轮毂环壁的附面层流向叶背并卷起的旋涡，总是成对出现，“对涡。”,叶片附面层潜移所引起的损失,沿叶片高度压力增加的压力梯度产生气流以切向分速cu作圆周运动所需的向心力叶片型面的附面层内气体微团与叶片一起旋转，切向分速为u

23、U cu离心力向心力附面层内气体微团由叶根向叶尖流动附面层潜移动叶叶尖附面层加厚分离损失,动叶,叶片附面层潜移所引起的损失,附面层内气体微团绝对速度0 离心力0 离心力不能平衡压差气体微团由外径向内径堆积附面层加厚分离损失,静叶,环壁附面层与叶型附面层的相互作用，径向间隙中的倒流、潜流，叶身型面的附面层潜移，以及间隙涡、通道涡等流动现象中的气流方向与主流方向不一致，称“二次流动”由“二次流动”造成的损失，叫“二次流损失”,1、压气机的主要性能参数,1质量流量q表示单位时间内流经压气机的质量流量，单位kg/s2压比压气机排气总压与进气总压的比值。,4压气机所耗的功率Pc,六、压气机变工况及特性曲

24、线,3等熵压缩效率,效率曲线 在转速nc一定时，有一个流量使效率最高，此时流阻最小。当流量Gc增加或减少时，都使流阻增大，效率下降。,等效率线,思考题：何为压气机特性线？,在转速恒定的条件下，压气机的压比 和效率 随流量的改变而变化的关系曲线。,2、单级压气机变工况工作特性,当流量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。各转速下喘振流量点之联线称为喘振边界线。,压比曲线 当转速nc一定时，压比曲线可分为左、右两侧支。在特性线上某点o处的压比最高。,压气机只能在喘振边界线的右侧工作。,随着压气机转速的升高，流量特性线变得陡直。

25、,在一定的转速下，当流量增加到某一值时，压比和效率均急剧下降。这表明，流量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”的流量是不同的。,特点 每一转速下的压比、效率均有一最大值（最大压比点：左、右两支）；压气机的喘振 转速不变，流量降低到一定值后，压气机内的气流轴向脉动引起的整台机器的剧烈振动。喘振边界点：压比不稳定无法绘出时对应的流量点。喘振边界线：各转速下喘振工况点的连线。压气机的阻塞 转速不变，流量增大到一定值后，压比急剧下降，流量无法继续增大的现象。不同转速下的压比特性线形状稍有不同，转速越高，特性线越陡。,大流量工况,小流量工况,设计点工况,

26、2、单级压气机变工况工作特性,i=0,i0,i0,压比随流量的变化情况（转速不变）,无损失时：级的压比随流量的增大而减小,考虑摩擦损失时：单位质量气体的损失随流量的增大而增大,考虑考虑漩涡损失时：存在使压比最大的最佳流量,亚声速压气机超跨声速压气机,单级压气机的实验特性曲线,思考题：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,3、多级压气机的特性曲线,扭速 的限制，增大扭速可以增大基元级的加功量。,亚声速基元级,增加导致：增大；W2减小，逆压梯度增大；流动分离，动叶加功能力、效率 和流量下降。,超、跨声速基

27、元级，扭速 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。,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。增大扭速 还会使动叶出口速度 增大，并且 的方向很斜，增加了基元级静叶的设计难度。,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。,多级压气机的特性曲线,（轴流式）主要区别：多级压气机的压比曲线，一般不存在左侧支，喘振在右侧支上出现。（喘振点的压比为该转速的最高

28、压比）在相同转速下，多级压气机的压比、效率的变化比单级的更剧烈，即特性曲线变得更陡峭。（在转速不变时，正常工作范围较小）压气机的转速愈高，多级压气机的特性曲线显得愈陡峭。,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。,（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峭一些的原因。,四类非设计工况分析,

29、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”。,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。,四类非设计工况分析,（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。,（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，由于各级压比小于设计

30、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。,四类非设计工况分析,（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。,四类非设计工况分析,实际运行条件经常变化（1）当进气温度T0不变，只改变p0时 各截面压力和流量均随p0成比例变化，C*和C*不改变。（2）当进气温度T0变化时 流量Gc发生变化，C*和C*也会变化。在不同的环境条件下，必须重新绘制压气机的特性曲线。,对特性线无影响,对特性线有影响,非常不方便,（大气条件、地理

31、位置等环境条件）,怎么解决？,4.压气机的通用特性线,流量特性线的缺陷：流量为自变量、转速为参变量绘制的压气机流量特性线只适用于一定几何尺寸和进气条件的压气机，若压气机尺寸或进气条件改变，需通过重新实验获得特性线，应用不便。通用特性线：用压气机对应的定性准则数为自变量绘制出压气机的通用的压比特性线和效率特性线。,“通用的”内涵：无论压气机的尺寸（几何相似）、进气量和进气条件如何变化，该特性线都适用。,“通用的”根据：根据相似原理，若对应的定性准则数彼此相等，则对应的所有无因次参数都彼此相等。,应用相似理论，采用相似参数（折合参数）来绘制压气机的特性曲线。压气机的通用特性曲线 统一采用四个参数,

32、折合流量 折合转速,压比,效率,轴流式压气机的通用特性曲线,（1）压气机折合流量,（3）压气机增压比为,（4）绝热效率,（2）压气机折合转速,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,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,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。,七、压气机的不稳定工况,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

33、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；另一种是喘振现象。二者既有差别又有联系。,1.压气机的失速,(a)流量大于设计值(b)流量小于设计值,叶背的边界层分离区易扩大,叶栅的失速 叶栅中体积流量减小时，叶栅背面边界层发生严重脱离，以致脱离区占据大部分流道并引起流动损失急剧增大的现象，称为叶栅的失速。当压气机的某一级或某列叶栅失速时，压气机就进入失速状态。叶栅失速的特征 一般先发生在叶栅的若干局部区域；局部失速区不是静止不动的，而是围绕压气机叶轮的轴线，以低于叶轮的速度与叶轮同向旋转；失速区的圆周速度一般为叶轮圆周速度的20%80%，对多级轴流式压气机为40%

34、60%。在相对坐标系中，失速区以相对速度u朝叶栅运动的相反方向传播。,叶栅失速区旋转的机理,右侧：冲角减小，流动改善，失速消除。,左侧：冲角增大，气流分离，失速区逆叶栅运动方向传播。,当流量减小时，若叶片2的背部先出现气流分离，叶片2与3之间的流道将被部分堵塞，于是该流道前方将形成低速气流区（停滞区），导致该停滞区附近的气流改变流向。,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

35、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。,旋转失速的危害 旋转失速出现后，叶片将受到周期性气流激振力作用。当激振力频率等于叶片自振频率时，叶片发生共振，严重时会使叶片表面出现裂纹甚至断裂。叶栅失速的种类 渐进型失速,a、随流量减小，失速先在一个或几个叶片的叶尖处产生，然后沿径向和周向扩展；,b、压比、效率随流量的减小而连续变化；c、叶圈中可有一个或多个对称的失速区，多个失速区相互干扰，不稳定性增加，常发生于叶片较长的级中。,突变型失速 a、当流量减小到一定值时，沿着叶片的整个高度几乎同时出现失速，而后迅

36、速向周向扩展；b、压气机特性线上表现为：压比随流量发生突跃性变化；c、叶圈中只有12个失速区，常发生于叶片较短的级中；d、突变型失速的出现和消失具有一定的滞后性；受到的激振力比渐进型失速时大得多，也更危险。,旋转失速的主要特征,旋转失速时，失速团沿周向运动，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）。频率高、强度大，叶片疲劳断裂。,压气机喘振的特征 压气机的流量时增时减；压力忽高忽低；整个机组剧烈振动并伴随特有轰鸣声。压

37、气机喘振的原因 内因（根本原因和必要条件）压气机失速；外因 压气机下游存在容积较大的管网部件。,2.压气机的喘振,喘振与失速的区别,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。,喘振发生的物理机理,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

38、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。,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,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。,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

39、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。,喘振现象总结：,3.压气机的阻塞,阻塞的特征 压气机流量无法进一步增加；压比及效率大幅度降低。阻塞的产生原因,单级压气机阻塞的原因,高转速下的声速阻塞 即气流流速达到声速，流量达到最大临界值，形成气流阻塞。,低转速下的边界层脱离阻塞 即由于气流负冲角较大，动叶栅腹面上出现严重的气流分离，使出口通流面积减小而发生阻塞。,多级压气机阻塞的原因,高转速下的声速阻塞（阻塞机理同单级压气机的阻塞机理）。,低转速下的声速阻塞 末几级由于受流量增大和前几级

40、压比降低、气流密度减小的双重影响，气流速度仍然增加较大并可能达到声速，从而导致声速阻塞。,常用的防喘措施改进气动设计中间放气采用旋转导叶合理选择压气机运行工况点分轴压气机,4.压气机的防喘,改进气动设计,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。,多级压气机的中间放气机构,中间放气在多级压气机通流部分的一个或几个截面处将一部分气体放到大气中或者重新引回压气机进口，以防止压气机在低速运行时发生喘振的一种方法。,中间放气的防喘机理 从压气机中间放掉部分

41、气体，放气口前流量相对增大，放气口后流量相对减小，使首、末级的气流冲角均可以调整到接近设计值，从而消除喘振。,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“中间级”放气，可增大前面级流量，解除后面级的堵塞状态。,中间放气措施的优缺点 优点：简单易行。缺点：经济性差，因放掉1015经过压缩的空气。放气口位置对放气效果的影响(1)过分靠近压气机进口，放气效果不太明显；(2)过分靠近压气机出口，经济性太

42、差；(3)大功率燃气轮机根据转速高低分别采用不同的放气口或不同数量的放气口放气，以此改善放气效果和经济性。,采用旋转导叶 将多级压气机某些级的导叶做成可以绕自身轴线旋转的结构，使导叶安装角可根据需要进行调整。,旋转导叶的防喘机理 压气机在低转速下靠近喘振边界运行时，若导叶不动，前几级将出现大的正冲角；转动导叶，改变安装角，可消除气流冲角，避免喘振。,导叶固定和旋转时气流速度三角形的变化,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、小流量处。,高压比的压气机其前面数级往往采

43、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。,旋转导叶防喘的不足 旋转导叶不能在叶片的全部高度上同时消除正冲角，若保证平均高度上的冲角接近设计值，则叶顶和叶根处的冲角将仍然偏离设计值。旋转导叶防喘措施的优缺点 优点：经济性好；缺点：操纵机构及系统复杂，重量增加。,可调进口导流叶片和静子叶片,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。,合理选择压气机运行工况点,那么满负荷工况时就不会发生喘振,如

44、能使机组在满负荷工况下运行点离压气机有一定安全裕量：,分轴压气机 将多级压气机分成2个甚至3个转子，分别由相应的燃气透平拖动。高压比燃气轮机常采用分轴的方法防止压气机喘振。,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

45、防喘；容易起动等。,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。,分轴压气机的防喘原理 双转子压气机利用高压透平拖动高压压气机，低压透平拖动低压压气机，于是当转速降低时能够使高、低压压气机的首级和末级的圆周速度与气流轴向速度都协调变化，结果使低压压气机的正冲角和高压压气机的负冲角消失，从而消除压气机的喘振。分轴压气机防喘措施的优缺点 优点：可实现压气机转速与流量的协调，高压比下可保证防喘的要求。缺点：需采用复杂的同心套轴结构。,当压气机的设计压比不超过45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。,防喘措施小结,防喘措施小结,