压气机的原理和特性

1
燃气轮机各部件的工作原理 （压气机原理与特性）
主要内容

2
压气机的类型及特点 压气机级的工作原理 压气机的特性 压气机的不稳定工况 压气机的结构
（一）压气机的类型及特点
3

1.压气机的作用
——向燃气轮机的燃烧室连续不断地供应高压 空气。

2.压气机的类型
轴流式： 按机内气体总体流向分类 Axial-flow Type Air Compressor
39
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。

压气机的流量特性线：
通过实验测定并作出的压气机流量特性曲线。

压气机的特性线组：
不同转速下的压气机特性线绘在一起，所得到的曲线 组，称为压气机的特性线组。

2.单级轴流式压气机的特性线
25

特点
①每一转速下的压比均有一最大值 （最大压比点：左、右两支）； ②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。
代替圆周 速度马赫 数的定性 准则数
某压气机通用特性线
（四）压气机的不稳定工况
31
失速 典型的 不稳定工况 喘振 阻塞

1.压气机的失速
32
叶背的边 界层分离 区易扩大
(a)流量大于设计值
(b)流量小于设计值

叶栅的失速
33
——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。
转子
动叶片 叶轮或转鼓 主轴

静子
静叶片（导流叶片、静叶） 气缸 (机匣) 轴承
9
第一级 压气机的级 —— 由一列动叶片 和紧跟其后的一列静叶片构成的 压气机的基本工作单元。
轴流式压气机的结构
世界各大燃气轮机公司采用的压气机 10
制造厂 GE发电
ABBAlsto m
Sieme ns
三菱重工
燃机型 MS900 MS900 GT26 号（系 1FA 1G/H 列号） 压气机 型式、 级数 压比 轴流 18级 15.4 轴流 18级 23.2 轴流 22级 30

叶栅失速区旋转的机理
34
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。
左侧： 冲角增大， 气流分离， 失速区逆叶 栅运动方向 传播。
右侧： 冲角减小， 流动改善， 失速消除。

旋转失速的危害
18
19

静叶栅（能量守恒）
c c p3 p2 q2 2 23
2 2 2 3

p3 p2
23
c c q2 2
2 2 2 3


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；
20

气流在流过动叶栅时的相对速度降低 所释放的动能，除一部分转换为摩擦 热并为气体吸收外，其余都转换成气 体的压力势能，使气体的压力升高；
气流在流过静叶栅时相对速度降低所 释放的动能，除一部分转换为摩擦热 并为气体吸收外，其余都转换成气体 的压力势能，使气体的压力升高。

21


影响压气机级的增压能力的因素（限制条件）
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

3.多级压气机的特性线
28
特点
①压比随流量变化 一般不存在左支，喘振 点出现在右支上； ②压比和效率随流 量变化的特性线较单级 陡峭，高转速下几乎成 垂线，导致其工作范围 变窄。
压气机工作范围 (qV max qV min ) / qV min 式中：qV max ——某转速下压气机进口的最大空气流量； qV min ? —同转速下压气机进口的最小空气流量。
外部损失
①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） ②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）
（三）压气机的特性
24

1.压气机的特性与特性线

流量特性：
在转速、进气压力和进气温度一定时，压比和等熵效 率随流量变化的关系，称为压气机Fra Baidu bibliotek流量特性。
比较项
气流总体流向 优 点
7
轴流式压气机
轴向 流量大、效率高 （80%－92%） 级的增压能力低 （单级压缩比1.15－ 1.35）
离心式压气机
径向
级的增压能力高 （单级压缩比高达4－ 4.5） 流量小、效率低 （75%－85%） 小功率燃气轮机
缺
点
应用场合
大中型燃气轮机

3.轴流式压气机结构

8

叶栅失速的特征
①一般先发生在叶栅的若干局部区域； ②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； ③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%~60%。 ④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。
离心式: Centrifugal-flow Type Air Compressor

轴流式
4

离心式
5
6

按工作原理和构造分类 活塞式压气机 叶轮式压气机
特殊引射式压缩器

按压缩气体压力范围分类 通风机（＜110 kPa) 鼓风机（110～400 kPa) 压气机（>400 kPa)
轴流式压气机和离心式压气机性能比较

②突变型失速 36 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1～2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。
15

主要气动参数
进出气角β1和β2 进口冲角
进出气角：气流进、出口相对流速与叶栅前、 进口冲角：叶栅的入口安装角与气流进气 后额线的夹角。 角之差。
i =β1j-β1
出口落后角 δ=β1j-β1 气流转折角 Δβ=β2-β1
气流转折角：气流出气角与进气角之差。
出口落后角：叶栅的出口安装角与气流出气角之差。
压气机总流量 不变
气流脉动作用 有一个或几个低速区围 绕压气机轴线旋转，叶 栅周向各处叶片轮流受 到气流周向脉动作用 气流脉动的影 气流周向脉动的频率和 响因素 振幅与叶栅本身几何参 数和转速相关
叶栅周向各处叶片同时 受到气流轴向脉动作用
气流轴向脉动的频率和 振幅与管网容量大小相 关

3.压气机的阻塞

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。
30
压气机的定性准则数
第一级动叶栅的进口速 度马赫数和圆周速度马赫数 是压气机的两个基本定性准 则数，其他任何与之成比例 且相互独立的无因次参数都 可代替成为定性准则数。
代替进口速度马赫数的 定性准则数

2.压气机的喘振

37
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。

喘振与失速的区别
比较项 失速 喘振
38
稳定性问题
压气机本身的气动稳定 压气机与其管网组成的 性问题 整个系统的稳定性问题 时增时减
35 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
①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。
三个特征截面： 级前1、级间2和级后3

2.叶型与叶栅的几何和气动参数

13
叶型的几何参数
叶型：叶片横截面形状。
叶型 型线 中弧线 弦长b 前后缘方向角 叶型的弯曲角
型线：叶型轮廓线，包括背弧型线、内 中弧线：叶型型线所有内切圆圆心的连线。 弧型线及二者的连接圆弧线。
前后缘方向角：叶型前、后缘点处中弧线的切 弦长：型线在弦线方向的投影长度。 叶型的弯曲角 θ：表征叶型弯曲程度的角度。 线与外弦线间的夹角。 ——b θ = χ1+外弦长 χ2 内弦长——中弧线两端点的连线。
V94.3 M701 M701F A G
轴流 15级 17 轴流 17级 17 轴流 14级 21
压气机的发展趋势
11

提高压比：单台已达30以上 提高通流量 ——大功率 提高效率 ——提高经济性


（二）压气机级的工作原理

12
1.轴流式压气机的基元级
——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。
入口安装角和出口安装角 ：叶型中弧线在前缘点和后 14 缘点的切线与叶栅前、后额线的夹角。

叶栅的几何参数
叶栅前后额线
叶型安装角γp 栅距t 入口安装角β1j 出口安装角β2j
叶栅前后额线：叶型前、后缘点的连线。
栅距t ：两个相邻叶型上同位点在圆周方向上的距离。 叶型安装角γp ：外弦线与圆周方向的夹角。
40
高转速下的声速阻塞 多级 压气 机阻 塞的 原因
（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。

4.压气机的防喘
出发点：
41
减小非设计工况下的冲角。
常用的防喘措施： (1)中间放气 (2)旋转导叶 (3)分轴压气机
26

特点
③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。 ④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。
注:效率随流量变化的曲线组与 压比随流量变化的曲线组特点 大致相同。

压比随流量的变化情况（转速不变）
27
无损失时：级的压比随流 量的增大而减小


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。
29
“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。
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Δβ不宜过大

5.轴流式压气机的效率和能量损失
22
能量损失
理 想 压 缩 功 输 入 的 机 械 功
压气机效率：
Ws c 100% hc W c 1 W W Ws hc

3.压气机基元级的速度三角形
16
气流的绝对速度、 相对速度和圆周速 度的矢量关系：
17
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。)



4.压气机级中的能量转换关系
级中能量转换计算
动叶栅加功量(对单位质量气体)
2 2 c2 c12 w12 w2 wc uwu 2 2 2 p2 c2 c12 q1 vdp p1 2 2 p2 1 c2 c12 q1 dp p1 2 2 c2 c12 p2 p1 q1 2 12
压气机的能量损失
内部损失
23
① 型阻损失（影响因素：叶型） a、叶栅表面附面层中产生的摩擦和脱离现象引起； b、叶片表出口尾迹中的涡流以及与主流的掺混； c、在超音速气流中发生的激波现象等引起的能量损失。 ② 端部损失（影响因素：叶片高度） 端部摩擦 二次流损失 ③ 径向间隙的漏气损失（影响因素：动静间隙大小、前后压差和 直径大小等）