第3章 离心式压气机-2013
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P =P 0,out
2. 压气机的温熵图
T=T0,out,s
T = T0,out
P = P 0,in T = T0,in
T0,out,P0,out
c Workc
Entropy (S)
T0,in,P0,in
3. 压气机的主要性能参数: （1）增压比π （2）空气流量: （3）压气机的定熵效率ηb （4）压气机转速nb
压气机叶轮结构形式
a）开式叶轮，流动损失大，叶轮效率 最低，叶片刚性较差，易振动，因 而在燃气轮机和涡轮增压器中已较 少采用了；
b）半开式叶轮：叶轮无轮盖，叶片一 侧与壳体间存在轴向间隙，叶轮内 的流动损失较封闭式叶轮大，但结 构简单，强度和刚度较好，适用于 高压比、高转速压气机，是目前应 用最广泛的一种叶轮类型；
c）封闭式叶轮：组成封闭通道，流 动损失小，效率较高，但圆周速 度高，叶轮承受的应力较大，不 宜在高转速下工作，且结构复杂， 在燃气轮机和涡轮增压器中也已 较少采用了；
d ）星形叶轮： 在半开式叶轮的轮盘 边缘叶片之间挖去一块，减轻了 叶轮质量，从而减小了叶轮应力， 并保持了一定的刚度，能承受很 高的转速，多在小型涡轮增压器 中应用。
Speed 1 等速线1
‘Surge’ 喘振
压气机按固定转速运行
节流阀继续关小， 直至流量小到使压 气机开始不稳定工 作或者发生喘振。
发生喘振时压力 会发生波动，通过 检测压力波动我们 就可知道是否发生 了喘振。
Flow流量
Pressure
ratio,
Pout/Pin 压比
Speed 1 等速线1
3.2
72
Rotor Speed Parameter
74%74%
68% 66% 64% 62%
3.0
[rev/sec/sqrt(K)]
Isentropic
2.8
66 72%
Efficiency
2.6
70%
2.4
61
60% 58%
2.2
2.0
54
76%
1.8
45
1.6
1.4 34 1.2
1.0 0
25
有叶扩压器： 气流流线短，流动损失小，效率高。但当流量偏离设计
工况时，叶片入口气流角不等于叶片构造角时，将产生撞击 损失，使效率急剧下降，变工况运行适应性差。
工况范围变化不大时：常采用无叶+有叶的组合方式。
变工况适应性：c > b > a。
翼型较好的有叶扩压器与F4057BL无叶扩压器相比较： 压比大概上升0.3 高压比时的效率上升4到5个百分点 适用于高后倾式叶轮
低等速线走完之后，压 气机转速上升，沿更高的 一个新等速线运行。
等速线愈多=压比范围 愈大。
压气机在固定转速线上 运行的过程都相同，
例如，节流阀开启时= 大流量，节流阀关小时=高 压力，低流量
第三章 压气机
一. 压气机的结构
压气机有离心式和轴流式两种基本类型： 轴流式压气机：
离心式压气机：
• 轴流式压气机适合组织多级压缩，比较容易获得较高的增 压比。多用于航空和大型燃气轮机，
• 离心式压气机结构简单，外形较短，重量较轻，能在较宽 的流量范围内保持较好的效率，多用于小型燃气轮机和活 塞式内燃机。
T = T0,out
P = P 0,in T = T0,in
Entropy (S)
πb* ：滞止压比 γ ：绝热系数
4、离心式压气机的流量特性线
（1）离心式压气机的流量特性线(如图所示) πk＝f1(mk,nk)，ηk＝f2(mk,nk)
Pressure Ratio
3.8
78
72%
3.6
70%
3.4
压气机按固定转速运行
在进气压力波动 前的瞬间，记录下此 刻的流量值。
然后按这个流量 后退10%，得出一 个流量值，这个流量 值就是等速线上的 “喘振流量”；
按照该喘振流量， 进行压气机实验，得 到相应的压气机进口 压力，温度值。
Flow流量
压比
Speed 3 等速线3
Speed 2 等速线2
Speed 1 等速线1
• b）径向叶片：叶轮叶片径向分布， 不弯曲。总效率比前弯叶片高，比 后弯叶片低，但其强度和刚度最好， 能承受最高的圆周转速。
• c) 后弯叶片：叶轮叶片沿径向逆旋 转方向弯曲。虽然叶轮对空气做功 能力小，但空气压力的提高大部分 在叶轮中完成，这种叶轮压气机效 率高，应用也较多。
• d）前倾后弯式叶片：叶片沿径向 后弯的同时，还向旋转方向前倾。 这种叶轮不仅压气机效率高，而且 高效率区宽广。
3-A Impellor blades 压气 机叶片
Splitter blades分流叶片
Full blades 全叶片
Turbine rotor 涡轮转子
Compressor wheel 压气机叶轮
3-B Hub 轮毂
3-E Open edge of blade or shroud 开式叶片边缘（外轮廓）
Po,out = Outlet absolute stagnation pressure [force/length²] 出气口绝对滞止压力 [力/长度2]
压气机等熵效率
Compressor Isentropic Efficiency
压气机的等熵效率公式如下： The isentropic efficiency of a compressor is given by:
振危害性越大；管道系统的容量越大，则喘振越强； 喘振会引起工作部件的强烈振动，加速轴承、密封、和叶片的
损坏。
（2）离心压气机的通用特性 环境条件发生变化，压气机特性线会发生变化； 高原 要达到相同压比，转速要增大，流量要增大； 高温气体密度降低要相同压比，转速要增大，流量要增 大； 为使压气机特性线适用不同地点和环境，可根据气体流动相 似原理，用折合参数来绘制压气机特性线； 这样的压气机特性线称通用特性线。
离心式压气机涡轮增压器
压气机
涡轮机
•离心式压 气机 •径流式涡 轮机 •中间体
增压器轴
离心式压气机 结构
1. 进气道 将外界空气导入压气机叶轮；分为轴向进气道和径向 进气道；
2. 压气机叶轮 压气机中唯一对空气作功的部件； 分为导风轮和叶轮。中小型压气机两者做成一体，大 型压气机则装配在一起。
where:
ηcomp = To,in = To,out = To,out,is =
等熵效率 进口绝对滞止温度 出口绝对滞止温度 等熵出口绝对滞止温度
ηcomp
To,in * ×
(γ - 1
πb* γ
)
-
1
=
To,out * - To,in *
Temperature (T)
P =P 0,out
T=T0,out,s
对通过压气机的气流实际做功值（实际轴功）Work done on the gas flowing through the compressor
Compressor Isentropic Efficiency (cont.) 压气机等熵效率
ηcomp =
To,out,is* - To,in* To,out* - To,in*
② 当nk一定时，mk减至某一值时→出现喘振；
什么是喘振？ 喘振，顾名思义就象人哮喘一样，压气机出现周期性的出风与
倒流，产生很大的噪音。 压气机在喘振区时，压轮内流量急剧波动，产生气流的撞击，
使压气机发生强烈的振动，噪声增大，而且出口压力不断晃动； 喘振的产生与压轮和管道的特性有关，容量与压头越大，则喘
ηcomp等熵效率 =
Wideal comp 等熵功率 Wactual comp实际轴功
where:
η comp
=
W ideal comp
=
W actual comp =
压气机等熵效率Isentropic compressor efficiency
按照压缩比等熵压缩气流所需的功（等熵功率）Work that would be required to compress the gas isentropically through the pressure ratio across the compressor
50
75
100 125 150 175 200
Flow Parameter [kg/s * sqrt(K)/MPa]
由图可以看出如下特点： ① 当nk一定时，随着mk↓→πk↑, 达到某一值后πk↓， 同样，mk↓→ηk↑，达到某一值后ηk↓； ② 当nk一定时，mk减至某一值时→出现喘振； ③ 当nk一定时，mk随着πk↓而增加，当πk降至某一值后， mk达到最大值，气流马赫数达到1，此时继续降低πk，mk 也不会增加，压气机出现堵塞； ④ 当nk变化时，nk↑→ mk↑，πk↑↑；
Speed 1 等速线1
压气机按固定转速运行
在按固定转速运行 时，节流阀逐渐关小； 当阀门关小时，气流 流量减小，出口压力 增大。
流量和压力每变化 一次，我们就记录一 次进口和出口的温度 以及压力值，有了这 些数据就可以计算效 率和压比。
Flow流量
Pressure
ratio,
Pout/Pin 压比
按叶片长短，可分为全长叶片和长短叶片叶轮。
根据叶片沿径向的弯曲形式，又可分为: a)前弯叶片、b)径向叶片、c)后弯叶片、d)前倾后弯叶片
• a) 前弯叶片：叶轮叶片沿径向向旋 转方向弯曲。叶轮对空气做功能力 最大，但主要增大空气动能，压力 能提高较小，这就要求空气动能在 扩压器和蜗壳中转化为压力能，但 扩压器和蜗壳的效率比叶轮低，因 此压气机效率低。
② 当nk一定时，mk减至某一值时→出现喘振；
什么是喘振？ 当转速一定，压气机的进气减少到一定值，在叶道中气体会发 生分离，当分离现象扩展到整个叶道，空气不能再流入叶道中； 造成叶轮中出口压力突然下降，而叶轮后收集器等地方相对较 高的压力将气流倒灌回叶轮； 倒灌回流后，使得叶道内又充满空气，分离得到控制，使压轮 叶道内压力恢复正常，重新将倒流回的气流压出去。 空气压出后，由于空气不能进入叶道，叶道内流量再一次降低， 重新出现分离，叶轮出口压力又突然下降，气流又倒回； 这种现象反复出现，压气机工作不稳定，该现象为喘振现象。
增压比
压气机的压比定义如下：
πb =
Po,out Po,in
where:
πb = Pressure ratio [dimensionless] 压比（无量纲）
Po,in = Inlet absolute stagnation pressure [force/length²] 进气口绝对滞止压力 [力/长度2]
5、离心式压气机特性线的实验测量
压气机测试设备
Flow Nozzle 气流喷嘴
Test
Total Temperature
Pressure 总压
T ~ To 温度
Compressor
压气机
Throttle节流阀
Total
Pressure
Static
总压
Pressure
静压
热交换器
Shaft power from
drive turbine 轴的能量来自于涡轮
T ~ To
温度
同样需要测量大气压力
Pressure
ratio,
Pout/Pin 压比
Speed 1 等速线1
压气机按固定转速运 行（由低速开始）
节流阀最 初是打开的， 流量大，出 口压力低
Flow 流量
Pressur
e ratio,
Pout/Pin 压比
4. 压气机涡壳 收集从扩压器出来的空气，将其引导到发动机的进气
管。涡壳有一定的扩压作用，进一步将动能转化为压力能。 Conical diffuser锥形扩压器
A
收集器
SECTION A-A
A
分为变截面涡壳和等截面涡壳
二、离心式压气机的工作原理
1. 压气机中的空气状态与变化趋势图
Temperature (T)
3-D Imห้องสมุดไป่ตู้ellor exit 出气段
3-C Impellor inlet or inducer 进气段
3. 扩压器 作用：将压气机叶轮出口高速空气的动能转变为
压力能。 分为无叶扩压器和有叶扩压器两种结构。增压器
中一般采用无叶扩压器和有叶扩压器串联。
无叶扩压器： 气流在扩压器中近似沿对数螺
旋线的轨迹流动，气流流线在任意 直径处与切向的夹角基本不变，使 得气流流线长，流动损失大，效率 低。但无叶扩压器流量范围宽，适 合变工况运行。
叶轮入口处，相对Ma相同 折合参数
折合流量为： 折合转速为：
mcv
mk
1.013105 p0
T0 288
ncv nk
288 T0
当试验时的大气条件p0=0.1013MPa、T0=288K时，折合 参数就和实际参数相同，即：
mcv = mk,
ncv = nk。
通用特性图绘制
压气机的通用特性线
2. 压气机的温熵图
T=T0,out,s
T = T0,out
P = P 0,in T = T0,in
T0,out,P0,out
c Workc
Entropy (S)
T0,in,P0,in
3. 压气机的主要性能参数: （1）增压比π （2）空气流量: （3）压气机的定熵效率ηb （4）压气机转速nb
压气机叶轮结构形式
a）开式叶轮，流动损失大，叶轮效率 最低，叶片刚性较差，易振动，因 而在燃气轮机和涡轮增压器中已较 少采用了；
b）半开式叶轮：叶轮无轮盖，叶片一 侧与壳体间存在轴向间隙，叶轮内 的流动损失较封闭式叶轮大，但结 构简单，强度和刚度较好，适用于 高压比、高转速压气机，是目前应 用最广泛的一种叶轮类型；
c）封闭式叶轮：组成封闭通道，流 动损失小，效率较高，但圆周速 度高，叶轮承受的应力较大，不 宜在高转速下工作，且结构复杂， 在燃气轮机和涡轮增压器中也已 较少采用了；
d ）星形叶轮： 在半开式叶轮的轮盘 边缘叶片之间挖去一块，减轻了 叶轮质量，从而减小了叶轮应力， 并保持了一定的刚度，能承受很 高的转速，多在小型涡轮增压器 中应用。
Speed 1 等速线1
‘Surge’ 喘振
压气机按固定转速运行
节流阀继续关小， 直至流量小到使压 气机开始不稳定工 作或者发生喘振。
发生喘振时压力 会发生波动，通过 检测压力波动我们 就可知道是否发生 了喘振。
Flow流量
Pressure
ratio,
Pout/Pin 压比
Speed 1 等速线1
3.2
72
Rotor Speed Parameter
74%74%
68% 66% 64% 62%
3.0
[rev/sec/sqrt(K)]
Isentropic
2.8
66 72%
Efficiency
2.6
70%
2.4
61
60% 58%
2.2
2.0
54
76%
1.8
45
1.6
1.4 34 1.2
1.0 0
25
有叶扩压器： 气流流线短，流动损失小，效率高。但当流量偏离设计
工况时，叶片入口气流角不等于叶片构造角时，将产生撞击 损失，使效率急剧下降，变工况运行适应性差。
工况范围变化不大时：常采用无叶+有叶的组合方式。
变工况适应性：c > b > a。
翼型较好的有叶扩压器与F4057BL无叶扩压器相比较： 压比大概上升0.3 高压比时的效率上升4到5个百分点 适用于高后倾式叶轮
低等速线走完之后，压 气机转速上升，沿更高的 一个新等速线运行。
等速线愈多=压比范围 愈大。
压气机在固定转速线上 运行的过程都相同，
例如，节流阀开启时= 大流量，节流阀关小时=高 压力，低流量
第三章 压气机
一. 压气机的结构
压气机有离心式和轴流式两种基本类型： 轴流式压气机：
离心式压气机：
• 轴流式压气机适合组织多级压缩，比较容易获得较高的增 压比。多用于航空和大型燃气轮机，
• 离心式压气机结构简单，外形较短，重量较轻，能在较宽 的流量范围内保持较好的效率，多用于小型燃气轮机和活 塞式内燃机。
T = T0,out
P = P 0,in T = T0,in
Entropy (S)
πb* ：滞止压比 γ ：绝热系数
4、离心式压气机的流量特性线
（1）离心式压气机的流量特性线(如图所示) πk＝f1(mk,nk)，ηk＝f2(mk,nk)
Pressure Ratio
3.8
78
72%
3.6
70%
3.4
压气机按固定转速运行
在进气压力波动 前的瞬间，记录下此 刻的流量值。
然后按这个流量 后退10%，得出一 个流量值，这个流量 值就是等速线上的 “喘振流量”；
按照该喘振流量， 进行压气机实验，得 到相应的压气机进口 压力，温度值。
Flow流量
压比
Speed 3 等速线3
Speed 2 等速线2
Speed 1 等速线1
• b）径向叶片：叶轮叶片径向分布， 不弯曲。总效率比前弯叶片高，比 后弯叶片低，但其强度和刚度最好， 能承受最高的圆周转速。
• c) 后弯叶片：叶轮叶片沿径向逆旋 转方向弯曲。虽然叶轮对空气做功 能力小，但空气压力的提高大部分 在叶轮中完成，这种叶轮压气机效 率高，应用也较多。
• d）前倾后弯式叶片：叶片沿径向 后弯的同时，还向旋转方向前倾。 这种叶轮不仅压气机效率高，而且 高效率区宽广。
3-A Impellor blades 压气 机叶片
Splitter blades分流叶片
Full blades 全叶片
Turbine rotor 涡轮转子
Compressor wheel 压气机叶轮
3-B Hub 轮毂
3-E Open edge of blade or shroud 开式叶片边缘（外轮廓）
Po,out = Outlet absolute stagnation pressure [force/length²] 出气口绝对滞止压力 [力/长度2]
压气机等熵效率
Compressor Isentropic Efficiency
压气机的等熵效率公式如下： The isentropic efficiency of a compressor is given by:
振危害性越大；管道系统的容量越大，则喘振越强； 喘振会引起工作部件的强烈振动，加速轴承、密封、和叶片的
损坏。
（2）离心压气机的通用特性 环境条件发生变化，压气机特性线会发生变化； 高原 要达到相同压比，转速要增大，流量要增大； 高温气体密度降低要相同压比，转速要增大，流量要增 大； 为使压气机特性线适用不同地点和环境，可根据气体流动相 似原理，用折合参数来绘制压气机特性线； 这样的压气机特性线称通用特性线。
离心式压气机涡轮增压器
压气机
涡轮机
•离心式压 气机 •径流式涡 轮机 •中间体
增压器轴
离心式压气机 结构
1. 进气道 将外界空气导入压气机叶轮；分为轴向进气道和径向 进气道；
2. 压气机叶轮 压气机中唯一对空气作功的部件； 分为导风轮和叶轮。中小型压气机两者做成一体，大 型压气机则装配在一起。
where:
ηcomp = To,in = To,out = To,out,is =
等熵效率 进口绝对滞止温度 出口绝对滞止温度 等熵出口绝对滞止温度
ηcomp
To,in * ×
(γ - 1
πb* γ
)
-
1
=
To,out * - To,in *
Temperature (T)
P =P 0,out
T=T0,out,s
对通过压气机的气流实际做功值（实际轴功）Work done on the gas flowing through the compressor
Compressor Isentropic Efficiency (cont.) 压气机等熵效率
ηcomp =
To,out,is* - To,in* To,out* - To,in*
② 当nk一定时，mk减至某一值时→出现喘振；
什么是喘振？ 喘振，顾名思义就象人哮喘一样，压气机出现周期性的出风与
倒流，产生很大的噪音。 压气机在喘振区时，压轮内流量急剧波动，产生气流的撞击，
使压气机发生强烈的振动，噪声增大，而且出口压力不断晃动； 喘振的产生与压轮和管道的特性有关，容量与压头越大，则喘
ηcomp等熵效率 =
Wideal comp 等熵功率 Wactual comp实际轴功
where:
η comp
=
W ideal comp
=
W actual comp =
压气机等熵效率Isentropic compressor efficiency
按照压缩比等熵压缩气流所需的功（等熵功率）Work that would be required to compress the gas isentropically through the pressure ratio across the compressor
50
75
100 125 150 175 200
Flow Parameter [kg/s * sqrt(K)/MPa]
由图可以看出如下特点： ① 当nk一定时，随着mk↓→πk↑, 达到某一值后πk↓， 同样，mk↓→ηk↑，达到某一值后ηk↓； ② 当nk一定时，mk减至某一值时→出现喘振； ③ 当nk一定时，mk随着πk↓而增加，当πk降至某一值后， mk达到最大值，气流马赫数达到1，此时继续降低πk，mk 也不会增加，压气机出现堵塞； ④ 当nk变化时，nk↑→ mk↑，πk↑↑；
Speed 1 等速线1
压气机按固定转速运行
在按固定转速运行 时，节流阀逐渐关小； 当阀门关小时，气流 流量减小，出口压力 增大。
流量和压力每变化 一次，我们就记录一 次进口和出口的温度 以及压力值，有了这 些数据就可以计算效 率和压比。
Flow流量
Pressure
ratio,
Pout/Pin 压比
按叶片长短，可分为全长叶片和长短叶片叶轮。
根据叶片沿径向的弯曲形式，又可分为: a)前弯叶片、b)径向叶片、c)后弯叶片、d)前倾后弯叶片
• a) 前弯叶片：叶轮叶片沿径向向旋 转方向弯曲。叶轮对空气做功能力 最大，但主要增大空气动能，压力 能提高较小，这就要求空气动能在 扩压器和蜗壳中转化为压力能，但 扩压器和蜗壳的效率比叶轮低，因 此压气机效率低。
② 当nk一定时，mk减至某一值时→出现喘振；
什么是喘振？ 当转速一定，压气机的进气减少到一定值，在叶道中气体会发 生分离，当分离现象扩展到整个叶道，空气不能再流入叶道中； 造成叶轮中出口压力突然下降，而叶轮后收集器等地方相对较 高的压力将气流倒灌回叶轮； 倒灌回流后，使得叶道内又充满空气，分离得到控制，使压轮 叶道内压力恢复正常，重新将倒流回的气流压出去。 空气压出后，由于空气不能进入叶道，叶道内流量再一次降低， 重新出现分离，叶轮出口压力又突然下降，气流又倒回； 这种现象反复出现，压气机工作不稳定，该现象为喘振现象。
增压比
压气机的压比定义如下：
πb =
Po,out Po,in
where:
πb = Pressure ratio [dimensionless] 压比（无量纲）
Po,in = Inlet absolute stagnation pressure [force/length²] 进气口绝对滞止压力 [力/长度2]
5、离心式压气机特性线的实验测量
压气机测试设备
Flow Nozzle 气流喷嘴
Test
Total Temperature
Pressure 总压
T ~ To 温度
Compressor
压气机
Throttle节流阀
Total
Pressure
Static
总压
Pressure
静压
热交换器
Shaft power from
drive turbine 轴的能量来自于涡轮
T ~ To
温度
同样需要测量大气压力
Pressure
ratio,
Pout/Pin 压比
Speed 1 等速线1
压气机按固定转速运 行（由低速开始）
节流阀最 初是打开的， 流量大，出 口压力低
Flow 流量
Pressur
e ratio,
Pout/Pin 压比
4. 压气机涡壳 收集从扩压器出来的空气，将其引导到发动机的进气
管。涡壳有一定的扩压作用，进一步将动能转化为压力能。 Conical diffuser锥形扩压器
A
收集器
SECTION A-A
A
分为变截面涡壳和等截面涡壳
二、离心式压气机的工作原理
1. 压气机中的空气状态与变化趋势图
Temperature (T)
3-D Imห้องสมุดไป่ตู้ellor exit 出气段
3-C Impellor inlet or inducer 进气段
3. 扩压器 作用：将压气机叶轮出口高速空气的动能转变为
压力能。 分为无叶扩压器和有叶扩压器两种结构。增压器
中一般采用无叶扩压器和有叶扩压器串联。
无叶扩压器： 气流在扩压器中近似沿对数螺
旋线的轨迹流动，气流流线在任意 直径处与切向的夹角基本不变，使 得气流流线长，流动损失大，效率 低。但无叶扩压器流量范围宽，适 合变工况运行。
叶轮入口处，相对Ma相同 折合参数
折合流量为： 折合转速为：
mcv
mk
1.013105 p0
T0 288
ncv nk
288 T0
当试验时的大气条件p0=0.1013MPa、T0=288K时，折合 参数就和实际参数相同，即：
mcv = mk,
ncv = nk。
通用特性图绘制
压气机的通用特性线