离心式压气机的工作原理

航空发动机原理

压气机的工作原理

根据气流在压气机的流动方向，可将压气分为两大类，气流沿离开叶轮中心方向流动的叶做离心式压气机；气流沿与叶轮轴平行方向流动的叫做轴流式压气机。此外还有轴流式与离心式压气机混合而成的混合式压气机。目前使用最广泛的是轴流式压气机，以下将作重点介绍。

轴流式压气机的基本组成，由静子和转子组成。静子由多排叶片组成，这些叶片叫做整流叶片，由一排流叶片组成的圆环叫做整流环，各整流环固定在机匣上。转子由多排叶轮组成，每一排叶轮上固定了许多工作叶片，压气机叶轮最终能过叶轮轴与涡轮的工作叶轮轴相连，并由涡轮带动高速旋转。

轴流式压气机的叶轮和整流环是交错排列的。一个叶轮和后面相邻的整流环构成了压气机的一级。单级压气机增压比不高。一般约为1.2-1.8。为了得到更高的增压比，目前用在民航机上的涡扇发动机的轴流式压气机级数常为10-20级，压气机增压比高达30-40。

有些轴流式压气机的进口安装了一排固定的导流叶片，它们所组成的圆环叫做导流环。空气在压气机中的流动

从进气道流入压气机的空气，首先流过导流环，然后依次流过各级的叶轮和整流环，最后从末级整流环流出进入燃烧室。由于空气在压气机中的流动较为复杂，同时气流在不同半径叶片通道内的流动大体相仿，为了便于分析，我们假想用一条通过各级叶轮平均地半径处的直线绕叶轮旋转，来切割叶轮和整流环叶片，得到压气机——“基本级”，每级压气机可看成是很多基元级相叠加而成。

所以空气在基元级中的流动可看成压气机工作的缩影。把所得到的基元级切片在平面上展开，就得到——平面叶栅图形。

目前大多数航空燃气轮机都采用轴流式压气机，只有小功率、小流量的涡轴和涡浆发动机上才采用离心式压气机。在20世纪40年代末和50年代初、涡喷发

动机也曾采用离心式压气机。

离心式压气机由导流器, 叶轮, 扩压器, 导气管等部分组成，叶轮和扩压器是其中两个主要部件。导流器：安装在叶轮的进口处，其通道是收敛形的使气流以一定方向均匀进入工作叶轮, 以减小流动损失，空气在流过它时速度增大,而压力和温度下降。叶轮：是高速旋转的部件，叶轮上叶片间的通道是扩张形的，空气在流过它时, 对空气作功, 加速空气的流速, 同时提高空气的压力。扩压器：位于叶轮的出口处，其通道是扩张形的，空气在流过它时将动能转变为压力位能，速度下降, 压力和温度都上升。导气管：使气流变为轴向, 将空气引入燃烧室。

离心式压气机属于叶片机械，其工作原理是以高速气流与工作叶轮和固定叶片的相互动力作用为基础，与容积式压气机相比离心式压气机的优点是：消耗同样的功率时，比容积式压气机的效率高，并能得到较高的增压压力，一般能达到0.147～0.196MPa以上；结构简单紧凑，重量轻，金属消耗量少。目前离心式压气机在内燃机增压方面获得广泛的应用。离心式压气机的缺点是随着转速的降低，增压压力便急剧下降。空气经滤清器进入气道，进气道的断面沿气流方向逐渐缩小，以便提高气流的稳定性。进气道一定要能保证在流动损失为最小的情况下，把空气均匀地导向工作轮。工作轮装装花链轴上，尺寸小的可安装在光轴上。工作轮可由曲轴通过机械驱动，也可直接由涡轮机驱动。

空气沿进气道进入工作轮随工作轮一起旋转，受到离心力的作用沿着工作轮上叶片所构成的通道流动，使空气受到压缩，这时压力从P1增加到P2，气流速度从c1增加到c2，驱动工作轮的机械功转化为空气在工作轮中获得的动能，和以压力形式表现的势能。工作轮出口处的功能一般为气流总能量的一半，因此，

在工作轮后装有扩压器，使其转换为压力能。当气流在扩压器中流动时，由于流通面不断扩大，气流的速度从c2下降到c3，压力从P2升高到P3。此时产生的损失是压气机损失中的主要部分。吁片式扩压器的损失比无叶片式扩压器的损失为小。

自扩压器周围出来的空气进入蜗形管，从此进入发动机的进气管，根据增压器在发动机上的配置位置不同，蜗形管可以有一个或数个出口管。

工作轮是压气机的主要零件，在工作中使空气受到压缩并获得动能。工作轮一般用铝台金制造，以大大减少作用在工作轮上的离心力。在现代增压器中，离心力可达很高的数值，有时可能比零件的重量大5万到10万倍。

工作轮可制成半开式或闭式的，将径向叶片和轮盘制成一体。半开式工作轮的特点是强度高，工艺性好，当空气流经叶片间的沟槽时，流动损失变化平缓。闭式工作轮还具有前封闭盖，特点是可大大降低流动损失和空气与壳体的摩擦损失，但工艺复杂。

由于工作轮背后b处的空气压力比工作轮前面的压力高，为了减少由于压差造成的使轮盘向左移动的轴向推力，在工作轮毁上钻有平衡aa如下图，以使工作轮前后的压力得到平衡。

工作轮进口处的叶片顺着工作轮转动方向扭转一定角度，通常称为导向器，其作用是使空气进入工作轮时不发生冲击现象。导向器与工作轮制成一体，导向器也可单独制造与工作轮装在一起。

闭式工作轮与半开式工作轮不同之处是具有前封闭盖，其特点是可以大大降低空气流经相邻叶片沟槽时的损失和空气与完体的摩擦损失，这种工作轮适宜于耗气量大、增压比高的发动机压气机，增压比愈高、耗气量愈大，封闭式工作轮的优点就愈突出。但这种工作轮又重又大，制造难度比半开式工作轮高。

压气机性能的主要参数是：单位时间内压气机提供给内燃机的空气量，称为流量，并有两种表示方法。容积流量为单位时间内所提供的空气客积V(m3/h或m3/min)，重量流量为单位时间内所提供的空气重量Gk(kg/s)。另一个参数是增压比或压力升高比，为压气机出口空气压力p k与进口空气压力p0之比，表示为π=p k/p0。

导流叶片的叶型与机翼的翼型相似，其前缘的分向沿发动机轴向，后缘沿叶轮旋

转方向弯曲，叶片间的通道略成收剑形。空气以速度C，沿轴向进入导流环，在导流环内，流速稍有增大。流出导流环时，气流顺叶片弯曲的方向偏转，速度变为C(1)。

气流在导流环中发生的沿叶轮旋转面的偏斜作用叫做预旋，相应的气流切向分速C(1)u叫做预旋量。

相对于以圆周速度u运动的叶轮来说，气流流进叶轮的相对速度W(1)等于气流绝对速度C(1)与牵连速度即叶轮圆周速度u的矢量差，它与叶轮旋转面所成的夹角为β(1)。

气流流过弯曲形的叶轮叶栅通道时，流动方向逐渐改变，最后顺着弯曲的叶片通道，以相对速度W（2）自叶轮流出。由于叶轮通道呈扩散形，所以叶轮出口气流相对速度较叶轮进口气流相对速度小，且出口气流相对速度与叶轮旋转面所成的夹角为β(2)，要大进口相应夹角β(1)。叶轮出口气流的绝对速度C（2）为气流相对速度W（2）与圆周速度u的矢量和。

在这里我们可以看出，叶轮进口气流绝对速度在沿叶轮旋转方向有一速度分量，就是经导流叶片预旋作用后产生的预旋量C(1)u。有了此预旋量一方面可以在不增加叶轮进口气流相对速度情形下，通过提高叶轮圆周速度来提高叶轮功，增强叶轮增压能力；另一方面如果没有增加叶轮圆周速度，则将使叶轮进口相对速度W(1)减少，方向变平，从而减小气流进入叶轮时的损失。

气流以绝地速度C(2)流进整流环，然后顺着弯曲的通道向后流动。因整流环通道形状呈扩散性，所以气流在整流环中绝对速度将减小。最终流出整流环的气流速度C(2)略等于叶轮进口气流绝对速度C(1)，方向也大致相同。

气流在以后各级中的流动情形都与此相似。不过，最后一级整流环出口的气流方向接近轴向，以便顺利流入燃烧室。