第3章(第一节) 压气机的原理和特性

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2.压气机的喘振

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。
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喘振与失速的区别
比较项 失速 喘振
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 叶栅周向各处叶片同时 受到气流轴向脉动作用
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主要气动参数
进出气角β1和β2 进口冲角 i =β1j-β1 出口落后角 δ=β1j-β1 气流转折角 Δβ=β2-β1
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。
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。
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2.单级轴流式压气机的特性线
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。
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3.压气机基元级的速度三角形
气流的绝对速度、 相对速度和圆周速 度的矢量关系：
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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。)
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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
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
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3.多级压气机的特性线
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。
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叶栅失速区旋转的机理
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。
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旋转失速的危害
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。

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。
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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。 “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。
第三章 燃气轮机各部件的工作原理 （第一节 压气机原理与特性）
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主要内容



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
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（一）压气机的类型及特点

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

按机内气体总体流向分类 轴流式：Axial-flow Type Air Compressor 离心式: Centrifugal-flow Type Air Compressor
轴流式压气机的结构
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世界各大燃气轮机公司采用的压气机
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
V94.3 M701 M701F A G 轴流 15级
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轴流 18级
15.4
轴流 18级
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入口安装角和出口安装角 ：叶型中弧线在前缘点和后 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。
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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。
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


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。
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影响压气机级的增压能力的因素（限制条件）
阻塞的特征
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。
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高转速下的声速阻塞 多级 压气 机阻 塞的 原因
代替圆周 速度马赫 数的定性 准则数
某压气机通用特性线
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（四）压气机的不稳定工况
失速 典型的 不稳定工况 喘振 阻塞
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1.压气机的失速
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
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叶Βιβλιοθήκη Baidu的失速
——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。
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2.叶型与叶栅的几何和气动参数

叶型的几何参数
叶型 型线 中弧线 弦长b 前后缘方向角 叶型的弯曲角
叶型：叶片横截面形状。
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。 θ = χ1+外弦长——b χ2 内弦长——中弧线两端点的连线。
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
气流轴向脉动的频率和 振幅与管网容量大小相 关
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3.压气机的阻塞
压气机流量无法进一步增加； 压比及效率大幅度降低。
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
7
缺
点
应用场合

3.轴流式压气机结构

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
8
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。
23.2
轴流 22级
30
轴流 17级
17
轴流 14级
21
10
压气机的发展趋势

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

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（二）压气机级的工作原理

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。 三个特征截面：
级前1、级间2和级后3
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：增设气封装臵）
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（三）压气机的特性

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，称为压气机的流量特性。
（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。
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4.压气机的防喘
出发点：
减小非设计工况下的冲角。
常用的防喘措施：
(1)中间放气
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
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5.轴流式压气机的效率和能量损失
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

轴流式
4

离心式
5

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)
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轴流式压气机和离心式压气机性能比较
比较项 气流总体流向 优 点 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） 大中型燃气轮机
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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。
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压比随流量的变化情况（转速不变）
无损失时：级的压比随流 量的增大而减小
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压气机的能量损失
内部损失
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）
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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
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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；
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②突变型失速 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。