燃气轮机教学材料

1
c1
w1
u
c2
c2 = w2 + u
2 2
2
u
2
2
轴
余弦定律：c2 w u 2 w2u cos 2
w2 sin 2 sin 2 c2
静叶栅
气流流过动叶栅后进入静叶栅， 因u=0，气流以绝对速度c2、 气流角为2流入静叶栅，而后 动叶栅 以绝对速度c3、气流角为3流 出静叶栅。 静叶栅不存在速度三角形。 静叶栅具有渐扩通道，气流速 度下降c3< c2 ，压力升高。 静叶栅
1
c1
w1
w2
u
c2
c 3 3
轴
一般c3 c1 、3 1，即 各基元级入口的绝对速度 大小方向基本相同。
正圆柱基元级的速度三角形
在压气机分析研究中，常把基元级三个特 征截面的气流速度画在一起。
1 1
2
w1
叶栅额线
2
c2
w2 u u
c1 c3
基元级的速度三角形

或取周向平均值；②气流的径向分速很小，可忽略不计。③气体是不 可压缩的理想气体（无粘性）；④气体流动是稳定流动。

气体在基元级内的流动简化为不可压缩的、无粘性的、一 元稳定流动。
利用正圆柱面的基元级研究压气机，是简单而重要的方法。

2、基元级的速度三角形


（1）坐标系的选取
在圆柱坐标系中研究（轴向x、径向r、周向） 绝对坐标系—相对于整台压气机静止不动，又称静坐标系； 从中观测到的气流速度为绝对速度，以c表示。
静 叶
静子：由若干圈安装在机壳（气缸）上的叶片组成。
导流器或静叶栅：静子上的一圈叶片。
导流叶片或静叶：组成导流器的叶片。
静叶的功能： 把气流动叶片获得的动能转变为压力能， 以提高静压，同时使气流转弯以适应下级动 叶的进口方向。〈扩压、导流〉
（2）压气机的转子部分（转子）
压气机的旋转部件，包括轮盘、轴、动叶以及装在 一起的其它机的通流部分应逐级收敛，即沿气流流 动的轴向方向上，叶片的高度是不断缩短的。
进气管：
压气机机壳进口处的气流通道。
进口收敛器：
布置在进气管的后面。使进入压气机的气流获得适当的加速， 保证进口导流器前的气流具有均匀的速度场和压力场。
进口导流器：
位于第一个工作轮前面的一列静叶片，均匀在气缸上。 使气流沿叶片高度以一定速度和方向进入第一级工作叶轮中。
1
c1
w1
u
气流的进气角。
w1 = c 1 - u
w1 1
2 1 2
c1
1
轴
u
余弦定律： w1 c u 2c1u cos 1
c1 sin 1 sin 1 w1
动叶出口处
气流流过动叶栅通道时，改 动叶栅 变了方向，以相对速度w2流 w2 出（w2<w1，压力升高扩压）； 气流拐弯，则使出气角2大 于进气角1 ； 静叶栅 动叶栅以u运动，那么气流以 绝对速度c2流出动叶栅，与叶 w2 c2 栅的额线的夹角为2。
第二章
压气机
压气机的特点及应用； 轴流式压气机级、基元级的工作原理； 轴流式压气机中的能量损失；
多级压气机；
压气机变工况工作特性；
压气机喘振及防止方法。
2-0 概述
一、功能


压气机是燃气轮机的一个重要组成部分
主要作用：提高气体的压力，连续不断地向燃烧室 提供高压气体。
二、分类
活塞式 ：活塞在气缸内移动， 以产生高压气体。 压气机 径方向流动。 叶片式 离心式 ：气体质点沿叶轮的半 轴流式 ：气体质点沿叶片轴向 流动。
注意： ①定性地做出w1、w2、c1、c2的相对大小（w2<w1 、c2>c1 ）； ②标出相应的气流角1、2、1、2 （2>1、 2<1 ） ； ③标出圆周速度u（大小方向）； ④在亚音速范围内，气流轴向分速度的变化相对较小，近似认为

c1x c2x c3x cx
（实际情况轴向分速有些减小）
相对坐标系—相对于工作叶轮静止不动，即随叶轮沿轴线一
起旋转运动的坐标系，又称动坐标系； 从中观测到的气流速度为相对速度，以w表示。

如果工作叶轮以圆周速度u旋转的话，那么气流的绝对速度c 就是其相对速度w和圆周速度的矢量和，即 c = w + u
（2）平面叶栅

将基元级叶栅在平面上展开，便 成为平面叶栅，包括一列动叶栅 和一列静叶栅。 画时注意：



基元级的速度三角形
叶栅额线
2
c2
1
气流转折角
2
1
1
w1 2
1
w2
cx
轴向分速度cx 2
c1 u u
气流转折角 的作用

转折角 的大小与相对速度下降的程度呈正比。
从气流转折角的大小，可判断叶栅的扩张度， 即叶栅的增压能力。

转折角 越大，叶栅的通流面积扩张越大，其增 压能力就越强。但转折角 过大，会引起气流流 动恶化，级效率降低。 通常最大转折角max不超过40°~ 45°。
将转子上的机械功传给气体，增加气体的压能和动能。
（3）压气机的通流部分

轴流式压气机内的动叶栅和静叶栅在轴线方向交替排列， 每一列动叶栅后面都有一列静叶栅。

由各列叶栅的通道组成压气机轴向通道，就是 气体的流动通道，称为压气机的通流部分。
在压缩的过程中，气体压力升高、密度不断增大，则气 体容积逐级降低；由于气体的轴向速度基本不变，

基元级的速度三角形
叶栅额线
2
c2
1
气流转折角
2
1
1
w1 2
1
w2
cx
轴向分速度cx 2
c1 u u
气流速度在基元级内的变化规律

气流通过基元级动叶栅时，绝对速度增加（动能增
加）、相对速度下降（压力升高）； 气流通过静叶栅时，绝对速度下降（动能减少、压 力升高），而且流出基元级时的绝对速度大致可恢 复到级前的水平。 速度三角形是分析研究基元级工作原理的重要工具。
正圆柱基元级的速度三角形
叶栅额线
2
c2
1
2
w1 2
1
1
1
w2
cx
轴向分速度cx 2
c1 u u
（4）几点说明

①如果回转面不是正圆柱面，如离心式压气机时， 则u1u2，c1xc2x。
②动叶栅进出口通流截面积f2>f1，进出口相对速度 w2 < w1，且分别与f2、f1相垂直； ③气流流过动叶栅和静叶栅时，都是减速增压过程。 ④气流流过动叶栅时，相对速度下降，其方向发生 变化，即出现了气流的偏转，气流转折角为： =2-1
④径向间隙sr ； ⑤轴向间隙sx 。
（3）压气机级内 气流参数的变化规律

在动叶进口截面1-1处，气流静压力p1、温 度T1、流速c1。 当气流流过动叶栅时，动叶对气流做功， 将轴上的机械能转换成气体的能量（焓及 动能增加）。则在动叶出口截面2-2处，气

流静压力、温度及速度都提高了。但气流
在动叶中的相对速度w减小。
三、特点及应用
结构 转速 单级压比 大 (6~10) 流量 流量小
(余隙容积)
效率 低
应用 打气筒，刹车器等 （周期性供气）
活塞式 复杂
低
离心式 简单
高
级压比较大 (<5) 级数少
级压比小 (1.15~1.35) 级数多
流量小
(材料限制)
较低
内燃机； 小型燃机装置 （连续性供气）
大、中型燃机 （连续性供气）
轴流式 简单
高
流量大
高
主要介绍轴流式压气机的基本理论。 （有些原理及方法也适用于离心式压气机）
2-1 轴流式压气机级的工作原理
一、 轴流式压气机
气体质点大体沿着与旋转轴平行的圆柱形回 转面上运动。 燃气轮机中，轴流式压气机一般是多级的，一 种回转式机械。
1、结构简介
通常，轴流式压气机有两部分组成：
定子部分和转子部分。
（1）压气机的定子部分（静子）
机壳（气缸）及固定在其上的静叶片、进出 口导向叶片等零件，这部分固定不动。
气
缸
静子的核心，其他静子部件固定在上面。 整台机组的承力骨架，承受机组的重量、压缩空气 的内压力以及其它的作用力。 气缸的主要矛盾是刚性，目前广泛采用气缸外表面 加筋来提高其刚性，以减小振动、变形，提高效率。
选取目的：简化级内气体的流动

实际压气机叶栅内的气体流动是复杂的三元流动，气流参数在轴向、 计算不完善 径向及圆方向上都有梯度，且随时间而变，还需考虑气体粘性。 分析复 杂

简化处理： 将三维流动简化为二维圆柱面流动的叠加（取基元级）；
对基元级内的气流流动进一步简化：①假设气流参数轴对称，
出口导流器：
最后一级静叶栅后面、均匀在气缸上的一列导向叶片。
使最末一级静叶片出来的气流沿叶片高度转变为轴向流动。
出口扩压器：
在压气机通流部分出口、输气管前面形成的一段环形结构。 使出口导流器中流出的气流均匀地减速，将部分剩余的动能 （余速）进一步转化为压力能。
输气管：
压气机机壳出口处的气流通道。
2、轴流式压气机级


通流部分
sr sx
①轮毂直径：级的内径Dh； ②机壳直径：级的外径Dt； ③平均直径Dm ：
通常按等分通流面积计算
Dm

D D 2
2 h
2 t
工作叶轮
主轴
有时按算术平均值计算
Dm Dh Dt 2