第5讲 压气机
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
③通过测量压气机轴的扭矩和转速来计算压气机功 ④测量压气机进、出口气流的总温，然后用下式计算
用此式计算，无论压气机效率高低，其结果 总是正确的
为了降低燃气轮机的耗油率，压气机的增压比需要不 断提高；为了减轻燃气轮机的重量，希望尽量减少压气机 的级数。于是提高压气机各级增压比就显得十分重要。
只有增加压气机基元级对单位质量气体所作的功，才 能提高压气机基元级的增压比。
同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向，为顺利进入下 一级做准备。
超声级和跨声级压气机 如果压气机的某一级，沿叶高各基元级进口相对速度w1都是
104800 J 43940 J
58.8 % 70.5 %
第3章 进气道、压气机和涡轮
Inlet 、Compressor and Turbine
3.1 压气机
一、功能、要求及分类
功能 对气流进行压缩,提高压力。 设计要求 流通能力强、效率高、稳定、重量轻 分类 离心式 轴流式
3.1 压气机 (1)离心式压气机
思考题 航空燃气轮机的主要性能指标有哪些？ 什么是sfc？ 发动机的使用性能包括哪些内容？ 什么是发动机的总效率？
计算
2 某涡喷发动机，当速度为900km/h时，尾喷管中 燃气完全膨胀，尾喷管出口燃气速度为600m/s。忽 略燃油流量，求通过该发动机每千克空气的可用功、 推进功和排气动能损失，以及发动机的推进效率。
转子在前、静子在后，交错排列
(2) 轴流式压气机
分解 级: 一排转子叶片 + 一排静子叶片 基元级:以ab为母线绕压气机轴旋转
所切割的压气机级称为基元级 平面叶栅: 在平面上展开的基元级叶栅 平面叶栅
动叶叶栅 静叶叶栅
截面编号
1 动叶进口 2 动叶出口（静叶进口） 3 静叶出口
1.叶型的几何参数 最大相对厚度Cmax及其相对位置e ：叶型中直径 最大的内切圆的直径为Cmax，其圆心到叶型前缘 的距离为e
图为早期涡轮喷气发 动机上的一个双面进 气离心式压气机。它 由进气系统、叶轮、 扩压器和集气管等四 部分组成。压气机通 过中间轴与涡轮相连 接。为了增加进气量 ，采用双面进气的叶 轮，这对于平衡作用 在轴承上的轴向力也 有好处。
叶轮的进口部分，为迎合气流相对运动的速度方向，做成向旋转 方向前弯。工作轮叶片之间呈径向辐射状的通道，气流通过工作 轮增加速度和压力。
2.叶栅的几何参数
在工程中，往往应用 叶栅稠度τ和几何进口 角β1K和几何出口角 β2K来表示。
3.气流与叶栅相对关系的几何参数
①流入角β1和流出角β2 ：分别表示流入叶栅的 气流和流出叶栅的气流 与叶栅额线的夹角。
②攻角i：流入叶栅的 气流方向与叶型中弧线 前缘切线之间的夹角。
③落后角δ：流出叶栅 的气流方向与叶型中弧 线后缘切线之间的夹角 。
为什么要加功增速
如果不对气体作功，只靠减速增压，压力增加程度充其 量等于来流总压；
动叶对气体作功加入能量，增加绝对动能，使气流在其 后的静叶中有足够的能量减速增压；
排列顺Leabharlann Baidu：动叶在前，静叶在后。 级增压原理：
动叶加功增速，同时靠扩张叶栅通道减相对速度，增加压力； 静叶使在动叶中获得能量的气流，通过扩张叶栅通道减速增压。
增加压气机基元级的切线速度可以增加加功量。但是 切线速度的增加，一方面受叶轮强度的限制；另一方面受 基元级进口相对运动速度w1的限制， w1过大会使基元级 效率降低。
使目u前2实>u际1，使可用以的增轴加流压气机基级元增级压的比加一功般量在。1.15～ 1.35左右。为了进一步提高轴流压气机级增压比，可以 采用超声级或跨声级压气机。
基元级加功增压原理以及提高增压比的途径
气流通过基元级时，转子叶片给气流作功加压，使气流在 基元级出口处总压和总温都比进口处高。
气体在工作轮中得到切线 方向的加速度，其加速方向与 工作轮运动方向相一致，这说 明是工作轮叶栅对气流作了机 械功。将工作轮出口气流与进 口气流相比较，不仅增加了动 能，而且静焓h也增加了。
•在静子叶片中的增压原理：减速增压
•在转子叶片中的增压原理：加功、增速、增压
压气机基元级对空气所作的功 ①用能量方程推导压气机压缩功
根据能量方程，在绝热的条件下，外界加入气体的 功等于气体静焓增量及动能增量之和：
气体静焓增加是由于相对运动速度减小以及在旋转 坐标系中气流所处半径变化所致
压气机基元级对空气所作的功
WP 5发 动 机
3.1 压气机 (2) 轴流式压气机
空气通过压气机基本上沿轴向流动，故称轴流压气机 。
轴向进气，轴向排气 优点：流通能力强、径向尺寸小、效率高 缺点：结构复杂、级增压能力小、轴向尺寸长、零件多 适合：高推力级、高速飞行飞机发动机
(2) 轴流式压气机
多级组成，每一级由工作轮与静子组成。 工作轮（转子〕：叶片、盘、轴 静子（导向器〕：叶片、机匣
②用动量方程推导压气机压缩功 工作轮相对于发动机只有旋 转运动而没有轴向运动，因 此只有切向分力对气体作功 ，轴向分力不对气体作功。 单位时间内工作轮加于单位 质量气体的功
设计压气机时采用以上两个公式计算压气机基元级叶栅对 气流所作的压缩功，进而算出基元级可能达到的增压比。
压气机基元级对空气所作的功
气流从工作叶轮流出后，进入扩压器。扩压器与叶轮之间有较大 的缝隙，气流在缝隙中也起扩压作用，故也称缝隙扩压器。
从扩压器出来的气流，进入集气管进一步减速扩压，然后进入燃 烧室。
3.1 压气机 (1)离心式压气机
轴向进气，径向排气 离心增压 优点：
结构简单、零件少 工作可靠 级增压能力强(6-12) 性能较稳定 轴向尺寸短 缺点： 效率低，迎风面大 适合：小推力级
3 将上题中的涡轮喷气发动机改为涵道比为1的涡轮 风扇发动机，其飞行速度和燃气发生器的可用功相同 ，忽略能量传递过程中的各种损失，可用功均匀分配 给内外涵气流，求通过该发动机推进功和排气动能损 失，以及发动机的推进效率。
计算结果对比
可用功 推进功 动能损失 推进效率
涡喷 涡扇
87500 J 61250 J 148750 J
用此式计算，无论压气机效率高低，其结果 总是正确的
为了降低燃气轮机的耗油率，压气机的增压比需要不 断提高；为了减轻燃气轮机的重量，希望尽量减少压气机 的级数。于是提高压气机各级增压比就显得十分重要。
只有增加压气机基元级对单位质量气体所作的功，才 能提高压气机基元级的增压比。
同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向，为顺利进入下 一级做准备。
超声级和跨声级压气机 如果压气机的某一级，沿叶高各基元级进口相对速度w1都是
104800 J 43940 J
58.8 % 70.5 %
第3章 进气道、压气机和涡轮
Inlet 、Compressor and Turbine
3.1 压气机
一、功能、要求及分类
功能 对气流进行压缩,提高压力。 设计要求 流通能力强、效率高、稳定、重量轻 分类 离心式 轴流式
3.1 压气机 (1)离心式压气机
思考题 航空燃气轮机的主要性能指标有哪些？ 什么是sfc？ 发动机的使用性能包括哪些内容？ 什么是发动机的总效率？
计算
2 某涡喷发动机，当速度为900km/h时，尾喷管中 燃气完全膨胀，尾喷管出口燃气速度为600m/s。忽 略燃油流量，求通过该发动机每千克空气的可用功、 推进功和排气动能损失，以及发动机的推进效率。
转子在前、静子在后，交错排列
(2) 轴流式压气机
分解 级: 一排转子叶片 + 一排静子叶片 基元级:以ab为母线绕压气机轴旋转
所切割的压气机级称为基元级 平面叶栅: 在平面上展开的基元级叶栅 平面叶栅
动叶叶栅 静叶叶栅
截面编号
1 动叶进口 2 动叶出口（静叶进口） 3 静叶出口
1.叶型的几何参数 最大相对厚度Cmax及其相对位置e ：叶型中直径 最大的内切圆的直径为Cmax，其圆心到叶型前缘 的距离为e
图为早期涡轮喷气发 动机上的一个双面进 气离心式压气机。它 由进气系统、叶轮、 扩压器和集气管等四 部分组成。压气机通 过中间轴与涡轮相连 接。为了增加进气量 ，采用双面进气的叶 轮，这对于平衡作用 在轴承上的轴向力也 有好处。
叶轮的进口部分，为迎合气流相对运动的速度方向，做成向旋转 方向前弯。工作轮叶片之间呈径向辐射状的通道，气流通过工作 轮增加速度和压力。
2.叶栅的几何参数
在工程中，往往应用 叶栅稠度τ和几何进口 角β1K和几何出口角 β2K来表示。
3.气流与叶栅相对关系的几何参数
①流入角β1和流出角β2 ：分别表示流入叶栅的 气流和流出叶栅的气流 与叶栅额线的夹角。
②攻角i：流入叶栅的 气流方向与叶型中弧线 前缘切线之间的夹角。
③落后角δ：流出叶栅 的气流方向与叶型中弧 线后缘切线之间的夹角 。
为什么要加功增速
如果不对气体作功，只靠减速增压，压力增加程度充其 量等于来流总压；
动叶对气体作功加入能量，增加绝对动能，使气流在其 后的静叶中有足够的能量减速增压；
排列顺Leabharlann Baidu：动叶在前，静叶在后。 级增压原理：
动叶加功增速，同时靠扩张叶栅通道减相对速度，增加压力； 静叶使在动叶中获得能量的气流，通过扩张叶栅通道减速增压。
增加压气机基元级的切线速度可以增加加功量。但是 切线速度的增加，一方面受叶轮强度的限制；另一方面受 基元级进口相对运动速度w1的限制， w1过大会使基元级 效率降低。
使目u前2实>u际1，使可用以的增轴加流压气机基级元增级压的比加一功般量在。1.15～ 1.35左右。为了进一步提高轴流压气机级增压比，可以 采用超声级或跨声级压气机。
基元级加功增压原理以及提高增压比的途径
气流通过基元级时，转子叶片给气流作功加压，使气流在 基元级出口处总压和总温都比进口处高。
气体在工作轮中得到切线 方向的加速度，其加速方向与 工作轮运动方向相一致，这说 明是工作轮叶栅对气流作了机 械功。将工作轮出口气流与进 口气流相比较，不仅增加了动 能，而且静焓h也增加了。
•在静子叶片中的增压原理：减速增压
•在转子叶片中的增压原理：加功、增速、增压
压气机基元级对空气所作的功 ①用能量方程推导压气机压缩功
根据能量方程，在绝热的条件下，外界加入气体的 功等于气体静焓增量及动能增量之和：
气体静焓增加是由于相对运动速度减小以及在旋转 坐标系中气流所处半径变化所致
压气机基元级对空气所作的功
WP 5发 动 机
3.1 压气机 (2) 轴流式压气机
空气通过压气机基本上沿轴向流动，故称轴流压气机 。
轴向进气，轴向排气 优点：流通能力强、径向尺寸小、效率高 缺点：结构复杂、级增压能力小、轴向尺寸长、零件多 适合：高推力级、高速飞行飞机发动机
(2) 轴流式压气机
多级组成，每一级由工作轮与静子组成。 工作轮（转子〕：叶片、盘、轴 静子（导向器〕：叶片、机匣
②用动量方程推导压气机压缩功 工作轮相对于发动机只有旋 转运动而没有轴向运动，因 此只有切向分力对气体作功 ，轴向分力不对气体作功。 单位时间内工作轮加于单位 质量气体的功
设计压气机时采用以上两个公式计算压气机基元级叶栅对 气流所作的压缩功，进而算出基元级可能达到的增压比。
压气机基元级对空气所作的功
气流从工作叶轮流出后，进入扩压器。扩压器与叶轮之间有较大 的缝隙，气流在缝隙中也起扩压作用，故也称缝隙扩压器。
从扩压器出来的气流，进入集气管进一步减速扩压，然后进入燃 烧室。
3.1 压气机 (1)离心式压气机
轴向进气，径向排气 离心增压 优点：
结构简单、零件少 工作可靠 级增压能力强(6-12) 性能较稳定 轴向尺寸短 缺点： 效率低，迎风面大 适合：小推力级
3 将上题中的涡轮喷气发动机改为涵道比为1的涡轮 风扇发动机，其飞行速度和燃气发生器的可用功相同 ，忽略能量传递过程中的各种损失，可用功均匀分配 给内外涵气流，求通过该发动机推进功和排气动能损 失，以及发动机的推进效率。
计算结果对比
可用功 推进功 动能损失 推进效率
涡喷 涡扇
87500 J 61250 J 148750 J