航空发动机原理第五讲 发动机部件工作原理---压气机
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5、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
28 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
思考：是否可以只采用静子叶片减速增压？可否取 消动叶？ 否 如果不对气体作功，只靠减速增压，压力增加程 度充其量等于来流总压； 动叶对气体作功加入能量，增加绝对动能，使气 流在其后的静叶中有足够的能量减速增压； 排列顺序：动叶在前，静叶在后。
级增压比=1.8-2.2
25 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
4、压气机级 叶片扭转 因沿叶高的切线速度大小不同 相对速度大小和方向均不同 速度三角形不同；
26 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
4、压气机级 叶片扭转
27 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2014年10月12日
5
一、生活中的叶轮机
电脑芯片的风扇： 由微型电机驱动，向散热器提供冷却空气 发动机的压气机： 由涡轮驱动，向燃烧室提供高压空气
6 2014年10月12日
一、生活中的叶轮机
压气机
1.5个大气压 3个大气压 30个大气压
7 2014年10月12日
一、生活中的叶轮机
速度三角形（出口）：
气流流出动叶的相对速度为W2； 叶片转动切线速度为U2； 气流流出动叶的绝对速度为V2。
18 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 气体在动叶栅中的流动：
近似认为动叶前后切向速度不变U1 U2 气流在动叶中相对速度降低，W2 W1（减速增压） 气流流经动叶的绝对速度增加，即V2 V1（转子做功）
动叶增压原理：加功、增速、增压
21 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 流动本质： 气体在动叶和静叶中的流动过程，本质上都是 亚音速气体的减速增压过程。
22 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 压气机叶栅
23 2014年10月12日
42 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
4、喘振 随着攻角的增加： 部分叶片一定部位首先发生旋转失速或称旋转 分离； 分离区扩展至整个压气机叶栅通道，发生喘振
43 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
4、喘振 定义 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。
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 气体在动叶栅中的流动： 伯努利方程（绝对坐标系）
dp V V Wu W fr 两式相减，得： 2 1
2 2 2 1
2
V22 V12 W12 W22 Wu 2 2
压气机对气体作轮缘功＝绝对动能增量+相对动能增量
Aero Engine Principle– Lecture #5 /Engines parts -Compressor Oct. 13, 2014
发动机部件工作原理
黄玥
助理教授 物理机电航空大楼313 18250894250 huangyue@xmu.edu.cn 物理与机电工程学院 厦门大学
发动机部件工作原理
• • • • • • 第一节 气动热力基础 第二节 进气道 第三节 尾喷管 第四节 压气机 第五节 涡轮 第六节 燃烧室
内容回顾
• 进气道
– 功能和要求 – 进气道的性能参数：总压恢复系数与冲压比 – 亚音速进气道和超音速进气道的基本工作原理 – 超音速进气道的三种基本类型及优缺点 – 超音速进气道的三种工作状态 – 超音速进气道的调节
* k
1 *
四、热力过程及主要参数
3、压气机主要性能参数 增压比： * p 出口总压 * 2 k * p1 进口总压 流量：
转速：
绝热效率：
qma (kg / s)
n(rpm)
等熵压缩功 k 1 T2 实际压缩功 1 35 T1 2014年10月12日
大涵道比涡轮风扇发动机
8 2014年10月12日
一、生活中的叶轮机
小涵道比涡轮风扇发动机
9 2014年10月12日
二、功能、要求及分类
功能 加功增压，即对气流进行压缩以提高压力 设计要求 流通能力强、效率高、稳定、重量轻 分类 离心式和轴流式
10 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
48 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
5、多级轴流压气机的稳定工作问题
只要压气机进、出口总温保持不变，则压气机对 单位工质所做的功保持不变。 对
37 2014年10月12日
作业
1、在一台多级压气机中，第一级和第二级对空气 的加功量都是30kJ/kg，级效率都是0.84，那么 第一级和第二级增压比是否相同，为什么？ 2、在标准大气条件下，测得某压气机的平均出口 总温550K，总压738900Pa，求该压气机效率。
2、叶型损失(类比机翼)
40 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
3、压气机的设计状态与非设计状态 正攻角工况（叶背出现分离）
设计点工况（设计状态）
负攻角工况（叶盆出现分离）
41 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
思考：下面哪些情况可能导致攻角增大？哪些情况 可能导致攻角减小？ • 流量不变，转速增大（+） • 流量不变，转速减小（-） • 转速不变，流量减小（+） • 转速不变，流量增大（-）
32 2014年10月12日
四、热力过程及主要参数
1、热力过程 理想情况：绝热等熵压缩 实际情况：不可逆压缩（近似多变压缩）
h 2i
理想压缩功
2
P2*
P1*
等熵
实际压缩功
1 S
33 2014年10月12日
四、热力过程及主要参数
2、效率计算
等熵过程的关系式： 等熵压缩功：
T2i p2 i ( ) T1 p1
* k
1 *
四、热力过程及主Biblioteka Baidu参数
4、压气机实际压缩功
Wk CpT [( )
* 1
k 1 * k k
1]/
* k
压缩功与进口气流总温、增压比成正比，与效率 成反比
36 2014年10月12日
四、热力过程及主要参数
练习题（判断） 只要压气机增压比保持不变，则压气机对单位工 质所做的功保持不变。 错，功与进口总温、效率有关
12 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 截面编号 1 动叶进口 2 动叶出口（静叶进口） 3 静叶出口
13 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 静叶栅
14 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 气流在静叶栅中的流动 伯努利方程
46 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
5、多级轴流压气机的稳定工作问题
47 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
5、多级轴流压气机的稳定工作问题 当多级轴流压气机工作于设计状态时，各级转子 的攻角近似为0，压气机处于高效工作状态。 思考： 若多级轴流压气机转速低于设计值时，压气机 各级攻角会发生什么变化？ 若转速高于设计值时，各级攻角会发生什么变 化？
2014年10月12日
3
内容回顾
• 尾喷管
– 功能和要求 – 尾喷管的分类(纯收敛型、收敛-扩张型) – 纯收敛型尾喷管的三种工作状态和推力公式 – 收敛-扩张型尾喷管四种主要类型
2014年10月12日
4
第四节 压气机
一、生活中的叶轮机 风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、水轮机、 水泵、螺旋桨（飞机、轮船）……
29 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
级增压原理： 动叶 加功增速 靠扩张叶栅通道减相对速度，增加压力； 静叶 使在动叶中获得能量的气流，通过扩张叶栅通 道减速增压 同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向 ，为顺利进入下一级做准备
30 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
气体参数的变化 动叶 静温增加 静压增加 总温增加（动叶做功） 总压增加 绝对速度增加（动叶做功） 相对速度下降（减速扩压）
31 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
气体参数的变化 静叶 静温增加 静压增加 总温不变 总压小幅下降（有损失） 速度下降（减速扩压）
1、组成 多级组成，每一级由转子与静子组成。 转子（工作轮）：叶片、盘、轴 静子（导向器）：叶片、机匣 转子在前、静子在后，交错排列
静子
转子
11 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 分解 级基元级平面叶栅 平面叶栅 动叶栅 静叶栅
16 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 动叶栅
17 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 气体在动叶栅中的流动： 速度三角形（进口）：
气流流向动叶的绝对速度V1； 叶片转动切线速度为U1； 气流进入动叶的相对速度为W1。
38 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
1、压气机攻角 攻角：
i 1;k 1 1k 几何进口角 1进口气流角
设计状态攻角的选取： 亚音叶栅：略大于0 超音叶栅：略小于0 可以近似认为，设计 状态攻角为零（i=0）
39 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
44 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
4、喘振 危害： 低频、高振幅脉动； 非常强烈的机械振动； 强烈的放“炮声”； 发动机熄火； 发动机“吐火”
45 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
4、喘振 物理机制：
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，又开始正向流动； 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。
1
k
1 ) *
(
Wki c p (T2i T1 ) c pT1 ( k
1 *
1)
实际压缩功
压气机效率
T Wk c p (T2 T1 ) c pT1 ( 2 1) T1
等熵压缩功 k 1 T2 实际压缩功 0.82~0.87 1 T1 在给定的增压比和进口总温的条件下， 34 压气机出口温度越高，效率越低。 2014年10月12日
19 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 气体在动叶栅中的流动： 伯努利方程（相对坐标系）
dp W22 W12 W fr 0 dp 0 W 2 2 W1
1
2
叶型弯曲形成扩张通道，相对 速度减小，压力提高
20 2014年10月12日
V V W 0 fs dp 0 V V 3 2 2 2 dp
2 3 2 2
3
对于亚音气流，减速 必须经过扩张形通道
15 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 气流在静叶栅中的流动
利用叶型偏向轴线弯曲，使叶片之间形成扩张 形气流通道； 气体流经扩张通道减速增压（亚音速）；
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 气体在轴流压气机中的参数变化
24 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
3、超音叶栅增压原理 • 进口超音速气流W1 经激波后降为亚音 流W2’ ，静压提高 • 然后气流转弯速度 降到W2 ，静压进 一步提高
• Mw1=1.3-1.5, 总压恢复系数=0.97-0.94
28 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
思考：是否可以只采用静子叶片减速增压？可否取 消动叶？ 否 如果不对气体作功，只靠减速增压，压力增加程 度充其量等于来流总压； 动叶对气体作功加入能量，增加绝对动能，使气 流在其后的静叶中有足够的能量减速增压； 排列顺序：动叶在前，静叶在后。
级增压比=1.8-2.2
25 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
4、压气机级 叶片扭转 因沿叶高的切线速度大小不同 相对速度大小和方向均不同 速度三角形不同；
26 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
4、压气机级 叶片扭转
27 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2014年10月12日
5
一、生活中的叶轮机
电脑芯片的风扇： 由微型电机驱动，向散热器提供冷却空气 发动机的压气机： 由涡轮驱动，向燃烧室提供高压空气
6 2014年10月12日
一、生活中的叶轮机
压气机
1.5个大气压 3个大气压 30个大气压
7 2014年10月12日
一、生活中的叶轮机
速度三角形（出口）：
气流流出动叶的相对速度为W2； 叶片转动切线速度为U2； 气流流出动叶的绝对速度为V2。
18 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 气体在动叶栅中的流动：
近似认为动叶前后切向速度不变U1 U2 气流在动叶中相对速度降低，W2 W1（减速增压） 气流流经动叶的绝对速度增加，即V2 V1（转子做功）
动叶增压原理：加功、增速、增压
21 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 流动本质： 气体在动叶和静叶中的流动过程，本质上都是 亚音速气体的减速增压过程。
22 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 压气机叶栅
23 2014年10月12日
42 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
4、喘振 随着攻角的增加： 部分叶片一定部位首先发生旋转失速或称旋转 分离； 分离区扩展至整个压气机叶栅通道，发生喘振
43 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
4、喘振 定义 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。
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 气体在动叶栅中的流动： 伯努利方程（绝对坐标系）
dp V V Wu W fr 两式相减，得： 2 1
2 2 2 1
2
V22 V12 W12 W22 Wu 2 2
压气机对气体作轮缘功＝绝对动能增量+相对动能增量
Aero Engine Principle– Lecture #5 /Engines parts -Compressor Oct. 13, 2014
发动机部件工作原理
黄玥
助理教授 物理机电航空大楼313 18250894250 huangyue@xmu.edu.cn 物理与机电工程学院 厦门大学
发动机部件工作原理
• • • • • • 第一节 气动热力基础 第二节 进气道 第三节 尾喷管 第四节 压气机 第五节 涡轮 第六节 燃烧室
内容回顾
• 进气道
– 功能和要求 – 进气道的性能参数：总压恢复系数与冲压比 – 亚音速进气道和超音速进气道的基本工作原理 – 超音速进气道的三种基本类型及优缺点 – 超音速进气道的三种工作状态 – 超音速进气道的调节
* k
1 *
四、热力过程及主要参数
3、压气机主要性能参数 增压比： * p 出口总压 * 2 k * p1 进口总压 流量：
转速：
绝热效率：
qma (kg / s)
n(rpm)
等熵压缩功 k 1 T2 实际压缩功 1 35 T1 2014年10月12日
大涵道比涡轮风扇发动机
8 2014年10月12日
一、生活中的叶轮机
小涵道比涡轮风扇发动机
9 2014年10月12日
二、功能、要求及分类
功能 加功增压，即对气流进行压缩以提高压力 设计要求 流通能力强、效率高、稳定、重量轻 分类 离心式和轴流式
10 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
48 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
5、多级轴流压气机的稳定工作问题
只要压气机进、出口总温保持不变，则压气机对 单位工质所做的功保持不变。 对
37 2014年10月12日
作业
1、在一台多级压气机中，第一级和第二级对空气 的加功量都是30kJ/kg，级效率都是0.84，那么 第一级和第二级增压比是否相同，为什么？ 2、在标准大气条件下，测得某压气机的平均出口 总温550K，总压738900Pa，求该压气机效率。
2、叶型损失(类比机翼)
40 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
3、压气机的设计状态与非设计状态 正攻角工况（叶背出现分离）
设计点工况（设计状态）
负攻角工况（叶盆出现分离）
41 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
思考：下面哪些情况可能导致攻角增大？哪些情况 可能导致攻角减小？ • 流量不变，转速增大（+） • 流量不变，转速减小（-） • 转速不变，流量减小（+） • 转速不变，流量增大（-）
32 2014年10月12日
四、热力过程及主要参数
1、热力过程 理想情况：绝热等熵压缩 实际情况：不可逆压缩（近似多变压缩）
h 2i
理想压缩功
2
P2*
P1*
等熵
实际压缩功
1 S
33 2014年10月12日
四、热力过程及主要参数
2、效率计算
等熵过程的关系式： 等熵压缩功：
T2i p2 i ( ) T1 p1
* k
1 *
四、热力过程及主Biblioteka Baidu参数
4、压气机实际压缩功
Wk CpT [( )
* 1
k 1 * k k
1]/
* k
压缩功与进口气流总温、增压比成正比，与效率 成反比
36 2014年10月12日
四、热力过程及主要参数
练习题（判断） 只要压气机增压比保持不变，则压气机对单位工 质所做的功保持不变。 错，功与进口总温、效率有关
12 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 截面编号 1 动叶进口 2 动叶出口（静叶进口） 3 静叶出口
13 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 静叶栅
14 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 气流在静叶栅中的流动 伯努利方程
46 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
5、多级轴流压气机的稳定工作问题
47 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
5、多级轴流压气机的稳定工作问题 当多级轴流压气机工作于设计状态时，各级转子 的攻角近似为0，压气机处于高效工作状态。 思考： 若多级轴流压气机转速低于设计值时，压气机 各级攻角会发生什么变化？ 若转速高于设计值时，各级攻角会发生什么变 化？
2014年10月12日
3
内容回顾
• 尾喷管
– 功能和要求 – 尾喷管的分类(纯收敛型、收敛-扩张型) – 纯收敛型尾喷管的三种工作状态和推力公式 – 收敛-扩张型尾喷管四种主要类型
2014年10月12日
4
第四节 压气机
一、生活中的叶轮机 风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、水轮机、 水泵、螺旋桨（飞机、轮船）……
29 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
级增压原理： 动叶 加功增速 靠扩张叶栅通道减相对速度，增加压力； 静叶 使在动叶中获得能量的气流，通过扩张叶栅通 道减速增压 同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向 ，为顺利进入下一级做准备
30 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
气体参数的变化 动叶 静温增加 静压增加 总温增加（动叶做功） 总压增加 绝对速度增加（动叶做功） 相对速度下降（减速扩压）
31 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
气体参数的变化 静叶 静温增加 静压增加 总温不变 总压小幅下降（有损失） 速度下降（减速扩压）
1、组成 多级组成，每一级由转子与静子组成。 转子（工作轮）：叶片、盘、轴 静子（导向器）：叶片、机匣 转子在前、静子在后，交错排列
静子
转子
11 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 分解 级基元级平面叶栅 平面叶栅 动叶栅 静叶栅
16 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 动叶栅
17 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 气体在动叶栅中的流动： 速度三角形（进口）：
气流流向动叶的绝对速度V1； 叶片转动切线速度为U1； 气流进入动叶的相对速度为W1。
38 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
1、压气机攻角 攻角：
i 1;k 1 1k 几何进口角 1进口气流角
设计状态攻角的选取： 亚音叶栅：略大于0 超音叶栅：略小于0 可以近似认为，设计 状态攻角为零（i=0）
39 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
44 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
4、喘振 危害： 低频、高振幅脉动； 非常强烈的机械振动； 强烈的放“炮声”； 发动机熄火； 发动机“吐火”
45 2014年10月12日
五、压气机的不稳定工作状态
4、喘振 物理机制：
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，又开始正向流动； 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。
1
k
1 ) *
(
Wki c p (T2i T1 ) c pT1 ( k
1 *
1)
实际压缩功
压气机效率
T Wk c p (T2 T1 ) c pT1 ( 2 1) T1
等熵压缩功 k 1 T2 实际压缩功 0.82~0.87 1 T1 在给定的增压比和进口总温的条件下， 34 压气机出口温度越高，效率越低。 2014年10月12日
19 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 气体在动叶栅中的流动： 伯努利方程（相对坐标系）
dp W22 W12 W fr 0 dp 0 W 2 2 W1
1
2
叶型弯曲形成扩张通道，相对 速度减小，压力提高
20 2014年10月12日
V V W 0 fs dp 0 V V 3 2 2 2 dp
2 3 2 2
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对于亚音气流，减速 必须经过扩张形通道
15 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 气流在静叶栅中的流动
利用叶型偏向轴线弯曲，使叶片之间形成扩张 形气流通道； 气体流经扩张通道减速增压（亚音速）；
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 气体在轴流压气机中的参数变化
24 2014年10月12日
三、轴流式压气机增压原理
3、超音叶栅增压原理 • 进口超音速气流W1 经激波后降为亚音 流W2’ ，静压提高 • 然后气流转弯速度 降到W2 ，静压进 一步提高
• Mw1=1.3-1.5, 总压恢复系数=0.97-0.94