叶片机原理课件C3-1,2,3

ZZIA
参考书 《航空叶片机原理》

胡骏，吴铁鹰，曹人靖 主编


国防工业出版社，2006年。
作者：胡骏，1984年南航硕士毕业留 校任教，教授，博导，主要从事叶轮 机非定常流基础理论和应用基础理论 方面的研究，获省部级科研二等奖二 项，出版专著两部。 “个人实在是太 渺小了，能做的事也极其有限。要想 多取得一点成绩，只有踏踏实实地干”

轮毂比: 径向间隙: 轴向间隙：

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
用与压气机同轴的一个圆柱面对压气机的一个
级进行剖切，就得到一个“基 元级”（微元级），如图3-5。
每个基元级沿叶高的厚度都是 很薄的，故每一级均可看成是由很 多基元级沿径向叠加而成的，而每 个基元级的工作原理大体相同。 这样，可以把基元级的流动过 程看做是压气机工作的缩影，以其 中的某一个基元级为代表，对压气 机的基本工作原理进行分析。
在研究航空涡轮发动机的总体工作特性时， 通常规定压气机段的进口截面（上游截面）为 “1截面”，该段的出口截面（下游截面）记为 “2 截面” 。 在具体研究压气机工作时，习惯上将压气 机工作轮的进口截面定义为“1截面”，工作轮 的 出口截面定义为“2截面”（也视为整流器的进 口

由于多级轴流压气机是由单级逐级轴向结合而 成的，所以气流在压气机中的增压是逐级进行的。 气流经过压气机的压力（压强）逐级提高，气流密 度也逐级加大。 为了通过一定的空气质量流量，根据连续方程 在逐级的气流纵轴向速度基本不变或变化较小的情 况下，在压气机子午面(半径方向与纵轴向构成的 平面)内的气流通道要呈现收缩的形状，即压气机 的叶片高度应逐级减小，以便与逐渐增大的气流密

如果掌握了单级压气机的增压原理，那么整 个多级压气机的增压原理问题就解决了。






图3-4所示为一个“级”的示意图。 为了说明在级中气流参数的变化， 在动叶和静叶的前后各取一个与回 转轴相垂直的截面。习惯规定动叶 前的截面为1一1截面，动叶后、静 叶前的截面为2-2截面，静叶后的截 面为3-3截面。这些截面上的气流 参数分别用下标“1” 、“2” 、 “3”表示。
则是按相对速度w1的大小和方向流入动叶栅槽道的。因 此，设计动叶栅的安装方位应是大致对准相对流速w1的， 而不能对准绝对速度c1。 在动叶出口处，气流
相对流速为w2，它影响着
其后静叶栅进口的气流速 度。但是，气流并不是以
相 对 流 速
W2、而是以c2流入静叶栅
的。因此，静叶栅的设计 安装方位应是大体对准气 流绝对速度c2的 .
是静叶栅。“平面叶栅”常 被作为研究压气机工作的 基本研究单元。
图3-6
平面上的基元级 将圆柱面上 的基元级展成平 面，并假设叶片 数无限多，得到 平面上的基元级
—
平面叶栅。
多级轴流的简化简化过程
第一步：由多级压气机到压气机的单（个）级
简化条件——忽略级与级之间的相互干扰
第二步：由单级到基元级
简化条件——圆柱面流动假设
绝对总焓表达式：

而相对总焓则为： （ c≠w )

所以对控制体内流场中的某一点来讲，相对不 同坐标系就会有不同的气流总参数。对于绝对坐标 系为 ，对于相对坐标系为 。
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叶轮机原理与设计
授课教师：马震宇
飞行器动力工程专业教研室


教 材：
《航空叶片机原理》
楚武利,刘前智,胡春波 主编
ZZIA
西北工业大学出版社， 2009年版。
作者：楚武利，1987年西安交大 硕士毕业后到西工大任教，教授，
博导，获部级科技进步奖两项，
获国家发明专利多项。在国内外 重要学术刊物上发表论文50多篇 ，被SCI、EI收录30多篇。所编 本书为本科教材，详细易于学习。
三、基元级中气体流动特性

1 坐标系：基元级包含两排叶栅，动 叶栅以圆周速度u旋转工作，静叶栅固接于 机匣壳体上。
分析静叶栅中气体流动用绝对坐标系 便利。 研究动叶栅中穿行的气流，必须相对 于动叶来分析气体微团的运动特性，这时 选用随动叶一起运动的相对坐标系便利。



如图，c表示观察者站在静止坐标系上看到


○（热力）状态参数或称静参数(p，ρ，T)表 示的是微观分子热运动的结果，与涉及宏观运动的 绝对坐标系和相对坐标系变换无关。即，不管采用 何种坐标系，任一点处的气体静参数不受影响。

○滞止参数或总参数(p*，ρ*，T*，h*)与它们 与所选用的坐标系有关。
比如以滞止焓为例，其物理意义是代表气流所 具有的总能量—静焓和动能之和。而宏观动能是与 微团运动速度直接关联的，对不同坐标系其动能值 大小不同，从而滞止焓也不同。
绝 对 流 速
C=W + U
以绝对速度C1 流向工作轮的气体 微团，对工作轮来 说是以相对速度W1 流入工作轮叶栅的； 经过叶栅通道后， 再以相对速度W2 流出。
○ 分析动叶中的流动，必须使用相对速度W 和相对加速度，对于静叶中的流动分析则使用绝 对速度C。 ○相对坐标系下与绝对坐标系下物理参数的 转换是经常遇到的问题。 ○向量的合成或分解用三角形法，联系W和C 的速度三角形为常用工具。 □在研究通过动叶和静叶叶栅的气流时，要 经常变换坐标系，按不同坐标系来分析问题。因 此，必须清楚哪些物理量随坐标系而变，哪些物 理量又是与坐标系的变换无关。



简单地讲，压气机中的动叶旋转将机械功 (能量)传给了流过压气机的气流，并将一部分 能量转变为气流的压力升高。 而静叶将动叶加给气流的剩余能量继续转 变为压力升高，并将气流导引至下一级动叶要 求的进口方向。所以，压气机的动叶的后面总 要配置静叶。 □空气流过这样的压气机，压力为什么会 增高？（后面讲此增压原理）
用一个与级同 轴的圆柱面与 轴流压气机级 相截，得到圆 柱面上的两圈 “环形叶 栅”— 若干个形状相 同的叶型彼此 以一定距离沿
基元级是一个圆柱面，为便于分析，把圆柱 面展开成为一个平面图3-6。 型 由图可见，展开成为 圆周 面 切向 平面的基元级中包括两

排“平面叶栅”，上面的一 排是动叶栅，下面的一排



为了提高发动机的热效率，近几十年来，压 气机的增压比有了很大提高。20世纪40年代的早 期涡轮喷气发动机的增压比不过在3左右，而目 前民用高涵道比涡轮风扇发动机压气机的总增压 比已高达35-40，军用发动机压气机的总增压比 也在20－30之间。 □为什么压气机上要 有转子和静于?它们为什 么要交替排列?
功和效率等参数。
*
·
由于流阻损失的存在，压气机加给气体的机械功 并没有全部用于增加气流的压力。由图示气体流经压 气机的压缩过程看，若气流压缩过程等熵，即流动损 失为零，则气流总压由进口1截面总压增大至出口k
截面总压所需的压缩功为最小，称之为等熵功 。这时，压气机加于气流的功全部用来增加气流的 总压。对实际过程即有损失的熵增过程而言，实际 过程加功量Lk线段要比 线段长。
压气机： 转子（运动 叶片/工作叶 片/动叶， 旋转部件）+ 静子（固定 部件）
（8级）
（转轴上8个轮盘）
一个工作轮 = 1个轮盘 + 若干工作叶片 图中压气机静子由前、中、后机匣和9排静子叶 片构成。最前面的一排叶片称为进口导流环（这些 叶片称为进口导流叶片），其作用是改变进入压气 机第一个工作轮前气流的方向。 进口导流叶片不是压气机中不可缺少的部件，有 的发动机上不装进口导流环，空气沿发动机纵轴方 向直接进入第一个工作轮。 图中导流环后共设置了8排不转动的静子叶片 (静叶，每个静叶又叫 整流叶片），沿着压气机

度相适应。 □压气机的作用 在尽可能低的流阻损失条件下，对流过压气 机的气流施加功（加功，给气体输入功），以提 高压气机出口气流的压力。 从发动机热力循环角度说，在一定条件下， 流过压气机的气流压强提高得越多，发动机的有 效功和热效率也就愈高。当然，气流流动能量损 失越小，发动机的热效率就越高。
的气流绝对流速，w表示假如观察者站在动叶上
所看到的气流速度（气体相对
动叶的相对流速），u表示
动叶栅转动的圆周速度(线速 度/切向速度/周向速度/理力 上的刚体牵连运动速度)。
周向 速度 相 对 流 速 绝 对 流 速
（遵循矢量合成 或 分解的
或△规则）
绝对运动 =相对运动 + 牵连运动 （向量）
2 气流与叶栅之间的关系 □先分析气体如何流入动叶和静叶叶栅。 以压气机放置在地面上为例，当启动工作动叶 转起来时，其前面气流不断被抽吸进来。地面上人 看到流入动叶的气流速度为c1（绝对）。动叶本身 是以圆周速度u1旋转，若人站在动叶上随叶片一同 转动(人处于相对坐标系上），所看到的气流就不再
□当气流流过压气机时，其状态参数和自身 所具有的能量均发生了变化，应该采用哪些参数 来描述气流所经历的这样一种气动热力过程？如 何评价该过程的完善程度? 图3-2为一台多级轴流压气机简图。为分析时 方便，规定压气机进口处的截面为1-1截面，出 口处为K-K 截面，这两个截面上的参数分别以下 标“l”和“k”来表示。

压气机的气动热力过程可用图3-3的焓熵图表示。 其中，* 表示对应于物理状态的滞止状态，下标 ad表示理想等熵过程对应的状态，虚线表示等熵过 程。


气体流过压气机后，压力 p1提高到pk ,为此 压气机消耗了机械功。如果压缩过程是无损失的 等熵过程，压气机消耗的机械功最少；反之，流 动损失越大，熵增也越大，压气机消耗的机械功 也就越多。因此，利用气流压力升高的幅度以及 实际消耗的功与等熵功的差别，即可了解气体流 过压气机的气动热力过程及其完善程度。 滞止压强和滞止温度在工程实际中易于测量 ，使用方便，故在气动热力计算和压气机实验研 究中，常采用气流滞止参数定义和计算增压比、