第5讲 压气机

压气机旋转失速和喘振 失速区移动的原因是由于失速区把通道堵塞了一 压气机某一级出现失速，并不是沿整个环面同时 部分，使一部分气流向切线方向的前后分流，导致失 发生，而是在部分叶片中某个部位上首先发生，而且 速区后面叶片的正攻角加大，失速区前面叶片及失速 失速区不是固定在这些叶片上。失速区相对于工作轮 区叶片的攻角减小。于是失速区的叶片便解除了失速 叶栅向与旋转方向相反的方向移动。如果在地面上观 状态而失速区后面的叶片产生了失速。于是失速区就 察时，失速区附着在压气机工作轮上以较低的转速、 向叶片旋转相反的方向移动 。 相同的方向旋转运动，故称为旋转失速。
第3章 进气道、压气机和涡轮
Inlet 、Compressor and Turbine
3.1 压气机

一、功能、要求及分类




功能 对气流进行压缩,提高压力。 设计要求 流通能力强、效率高、稳定、重量轻 分类 离心式 轴流式
3.1 压气机 (1)离心式压气机
图为早期涡轮喷气发 动机上的一个双面进 气离心式压气机。它 由进气系统、叶轮、 扩压器和集气管等四 部分组成。压气机通 过中间轴与涡轮相连 接。为了增加进气量 ，采用双面进气的叶 轮，这对于平衡作用 在轴承上的轴向力也 有好处。


思考题 航空燃气轮机的主要性能指标有哪些？
什么是sfc？ 发动机的使用性能包括哪些内容？ 什么是发动机的总效率？
计算
2 某涡喷发动机，当速度为900km/h时，尾喷管中 燃气完全膨胀，尾喷管出口燃气速度为600m/s。忽 略燃油流量，求通过该发动机每千克空气的可用功、 推进功和排气动能损失，以及发动机的推进效率。 3 将上题中的涡轮喷气发动机改为涵道比为1的涡轮
最大相对厚度Cmax及其相对位置e ：叶型中直径 最大的内切圆的直径为Cmax，其圆心到叶型前缘 的距离为e
2.叶栅的几何参数 在工程中，往往应用 叶栅稠度τ和几何进口 角β1K和几何出口角 β2K来表示。
3.气流与叶栅相对关系的几何参数 ①流入角β1和流出角β2 ：分别表示流入叶栅的 气流和流出叶栅的气流 与叶栅额线的夹角。 ②攻角i：流入叶栅的 气流方向与叶型中弧线 前缘切线之间的夹角。 ③落后角δ：流出叶栅 的气流方向与叶型中弧 线后缘切线之间的夹角 。
流动损失
①激波损失：在跨声速叶栅中，局部会有激波产生， 造成总压损失，称为激波损失。
②叶型损失：气流在叶栅中流动时，叶型表面上形成 附面层，产生的摩擦损失称为叶型损失，附面层分离 时损失更为严重。
流动损失
③端面损失：在叶型通道内壁和外壁形成附面层而引 起的摩擦损失称为端面损失。 ④二次流动损失：由于叶栅通道中叶型凹部的压力高 于叶背部的压力，使一部分气体通过外壁和内壁附面 层从叶凹部流向叶背部，这种在附面层内发生气体潜 流而引起的损失称为二次流动损失。 ⑤径向间隙损失：由于工作轮叶片和外壁之间有径向 间隙，一小部分气体通过径向间隙泄漏，使压气机效 率降低。
3.1 压气机 (1)离心式压气机





轴向进气，径向排气 离心增压 优点： 结构简单、零件少 工作可靠 级增压能力强(6-12) 性能较稳定 轴向尺寸短 缺点： 效率低，迎风面大 适合：小推力级
WP5 发 动 机
3.1 压气机
(2) 轴流式压气机

空气通过压气机基本上沿轴向流动，故称轴流压气机 。
• 喘振发生时，出现强烈的不稳定工作现象：流过压 气机的气流沿压气机的轴线方向产生低频高振幅的强 烈振荡，压气机出口平均压力急剧下降，出口总压、 流量、流速产生大幅度脉动，并伴随有强烈放炮声。 这种现象称为压气机喘振
多级轴流压气机，以下两种情况易发生喘振 喘振作用机理：当多级轴流压气机中某些级产生旋转 •①在一定转速下工作时，若出口反压增大，使空气流量降低到一 失速，并进一步发展，使压气机整个通道受阻，阻碍 定程度时，就会出现喘振。 前方气流流入，使气流拥塞在这些级的前方。同时， •②当发动机偏离设计工作状况而降低转速时容易发生喘振。 由于前方气流暂时堵塞，出口反压不断下降，当出口 反压较低时，压气机堵塞状况被解除，被拥塞的气流 克服了气体惯性一拥而下，于是进入压气机的空气流 压气机喘振会使压气机叶片断裂，引起发动 量又超过了压气机后方所能排泄的流量， 压气机后方 机熄火停车，严重威胁发动机安全工作。 空间里空气又“堆积”起来，反压又急剧升高，造成 压气机内气流的再次分离堵塞。通过压气机的气流反 复堵塞又畅通，使得通过压气机的流量大、流速高、 可压缩的空气在本身惯量和压气机给予的巨大能量作 用下产生了周期性振荡。
(2) 轴流式压气机
分解 级: 一排转子叶片 + 一排静子叶片 基元级:以ab为母线绕压气机轴旋转 所切割的压气机级称为基元级 平面叶栅: 在平面上展开的基元级叶栅 平面叶栅


动叶叶栅 静叶叶栅 1 动叶进口 2 动叶出口（静叶进口） 3 静叶出口

截面编号

1.叶型的几何参数
风扇发动机，其飞行速度和燃气发生器的可用功相同
，忽略能量传递过程中的各种损失，可用功均匀分配
给内外涵气流，求通过该发动机推进功和排气动能损
失，以及发动机的推进效率。
计算结果对比
可用功 涡喷
推进功
动能损失
推进效率
87500 J
61250 J
58.8 %
148750 J
涡扇 104800 J 43940 J 70.5 %



叶轮的进口部分，为迎合气流相对运动的速度方向，做成向旋转 方向前弯。工作轮叶片之间呈径向辐射状的通道，气流通过工作 轮增加速度和压力。 气流从工作叶轮流出后，进入扩压器。扩压器与叶轮之间有较大 的缝隙，气流在缝隙中也起扩压作用，故也称缝隙扩压器。 从扩压器出来的气流，进入集气管进一步减速扩压，然后进入燃 烧室。
主要的防喘措施有以下三种
•①从多级轴流压气机的某一个或数个中间截面放气。当 压气机转速低于一定数值时将放气门打开，其目的是为了 增加前几级压气机的空气流量，避免前几级因攻角过大而 产生气流分离。中间级放气也避免了后几级压气机进口流 速过大，攻角过小，甚至为负值，使增压比和效率降低的 现象。 •②旋转一级或数级导流叶片。用这种方法防喘时，在第 一级压气机前面往往装有进口导流叶片。 •③采用双轴或三轴结构。将压气机分成二个或三个转子 ，分别由各自的涡轮来带动，于是一台高增压比的压气机 就成为二个或三个低增压比的压气机。

基元级加功增压原理以及提高增压比的途径
气流通过基元级时，转子叶片给气流作功加压，使气流在 基元级出口处总压和总温都比进口处高。
气体在工作轮中得到切线 方向的加速度，其加速方向与 工作轮运动方向相一致，这说 明是工作轮叶栅对气流作了机 械功。将工作轮出口气流与进 口气流相比较，不仅增加了动 能，而且静焓h也增加了。 •在静子叶片中的增压原理：减速增压
落后角的存在是因为 气流不可能完全按照 叶片结构确定的几何 出口角方向流动。在 设计压气机叶片时必 须考虑，以保证所设 计的叶片能得到所需 要的速度三角形。
压气机转速一定，如果压 气机出口反压降低，进入压气 机的空气流量增加，使速度c 上升时，攻角i下降，反压下 降到一定程度后，可以使攻角 为负值。当攻角负值过大，气 流会从叶盆处分离，叶片通道 被分离区所占，进入压气机的 空气流量不再增加。 如果压气机出口反压增加， 进入压气机的空气流量减少 ，使速度c下降时，攻角i增 大。攻角过大时，气流从叶 背分离，称为失速。失速可 使压气机效率明显下降，甚 至会使压气机出现不稳定工 作(旋转失速和喘振)。
用此式计算，无论压气机效率高低，其结果 总是正确的
为了降低燃气轮机的耗油率，压气机的增压比需要不 断提高；为了减轻燃气轮机的重量，希望尽量减少压气机 的级数。于是提高压气机各级增压比就显得十分重要。 只有增加压气机基元级对单位质量气体所作的功，才 能提高压气机基元级的增压比。 增加压气机基元级的切线速度可以增加加功量。但是 切线速度的增加，一方面受叶轮强度的限制；另一方面受 基元级进口相对运动速度w1的限制， w1过大会使基元级 效率降低。 使u2>u1，可以增加压气机基元级的加功量。 目前实际使用的轴流压气机级增压比一般在1.15～ 1.35左右。为了进一步提高轴流压气机级增压比，可以 采用超声级或跨声级压气机。
全台压气机

沿压气机轴向，随气体不断被增压，气体密度加大， 气流通道逐级缩小，叶片变短。
基元级叶片的攻角和落后角
压气机在工作时，气 流进入叶片的流入角β1一 般情况下与叶片的几何进 口角β1k不相一致，它们 的差值，称为攻角，用i 表示
基元级叶片的攻角和落后角
气流流出叶片的流出角β2一般情况下与叶片 的几何出口角β2k不相一致，它们的差值，称为 落后角，用δ表示

超声级和跨声级压气机
如果压气机的某一级，沿叶高各基元级进口相对速度w1都是 超声速，那就称为超声速级。一般叶片靠近叶尖的部分，由于轮缘 切线速度u较高，基元级进口相对速度为超声速，而靠近叶根的部 分基元级进口相对速度仍是亚声速，这样的压气机级称为跨声速级 。很多压气机的进口第一级属于跨声速级。
由于出口处气流相对速度w2减小，使工作轮叶栅出 口气流绝对速度c2具有与工作轮旋转方向相同的切线 分速度c2u，这说明超声工作轮叶栅对气体作了功。
工作轮相对于发动机只有旋 转运动而没有轴向运动，因 此只有切向分力对气体作功 ，轴向分力不对气体作功。 单位时间内工作轮加于单位 质量气体的功
设计压气机时采用以上两个公式计算压气机基元级叶栅对 气流所作的压缩功，进而算出基元级可能达到的增压比。
压气机基元级对空气所作的功
③通过测量压气机轴的扭矩和转速来计算压气机功 ④测量压气机进、出口气流的总温，然后用下式计算
整台压气机效率的定义与基元级效率相同。进行压气机 实验时，测得压气机前后的总压和总温，就可以利用上式计算 压气机效率。 一般情况下，基元级压气机效率在0.82～0.90范围内。