第三章 轴流式压气机工作原理
第三章 轴流压气机工作原理
第三章 轴流压气机的工作原理压气机是燃气涡轮发动机的重要部件之一，它的作用是给燃烧室提供经过压缩的高压、高温气体。
根据压气机的结构和气流流动特点，可以把它分为两种主要型式：轴流式压气机和离心式压气机。
本章论述轴流式压气机的基本工作原理，重点介绍压气机基元级和压气机一级的流动特性及工作原理。
第一节 轴流压气机的增压比和效率轴流式压气机由两大部分组成，与压气机旋转轴相联接的轮盘和叶片构成压气机的转子，外部不转动的机匣和与机匣相联接的叶片构成压气机的静子。
转子上的叶片称为动叶，静子上的叶片称为静叶。
每一排动叶（包括动叶安装盘）和紧随其后的一排静叶（包括机匣）构成轴流式压气机的一级。
图3－1为一台10级轴流压气机，在第一级动叶前设有进口导流叶片（静叶）。
图3－1 多级轴流压气机压气机的增压比定义为***=1p p k kπ （3－1） *kp ：压气机出口截面的总压；*1p ：压气机进口截面的总压；*号表示用滞止参数（总参数）来定义。
依据工程热力学有关热机热力循环的理论，对于燃气涡轮发动机来讲，在一定范围内，压气机出口的压力愈高，则燃气涡轮发动机的循环热效率也就愈高。
近六十年来，压气机的总增压比有了很大的提高，从早期的总增压比3.5左右，提高到目前的总增压比40以上。
图3－2 压气机的总增压比发展历程压气机的绝热效率定义为***=k adkkL L η （3－2） 效率公式定义的物理意义是将气体从*1p 压缩到*2p ，理想的、无摩擦的绝热等熵过程所需要的机械功*adk L 与实际的、有摩擦的、绝热熵增过程所需要的机械功k L *之比。
p 1*p k*1k adkL *k L *ad ksh *图3－3 压气机热力过程焓熵图 由热焓形式能量方程（2－5）式、绝热条件、等熵过程的气动关系式)1(11)(k k adk adk p p T T -****=和R k k c p 1-=可以得到 )1(1)(111--=-=-****k k k adk p adk RT k k T T c L π （3－3） )1(1)(111--=-=******T T RT k k T T c L k k p k （3－4） 将（3－3）和（3－4）式代入到（3－2）式，则得到1111--=**-**T T k k k k k πη （3－5）效率公式（3-5）式可以用来计算多级或单级压气机的绝热效率，也可以用来计算单排转子的绝热效率，只要*k p 和*k T 取相应出口截面处值即可。
轴流式压气机的工作原理
轴流式压气机的工作原理
轴流式压气机是一种常见的流体机械，它主要通过对流动气体的动能进行转换来实现对气体的压缩。
轴流式压气机的工作原理如下：
1. 气体进入压气机通过进气口，进入压气机中的转子。
2. 转子上安装有一系列的叶片，这些叶片呈倾斜角度，使得气体在通过叶片时产生一个向前的推力。
3. 气体在经过叶片时，受到叶片的作用力，产生一个向前的冲力。
这个冲力使得气体的速度增加，同时也增加了气体的动能。
4. 当气体通过转子时，气体被推入下一个叶片组，重复上述的过程。
这样，气体在不断的通过叶片组，速度逐渐增加，并且产生了连续的推力。
5. 在气体通过压气机后，气体的动能转化为压力能，实现了气体的压缩。
此时，气体会通过出口口排出。
值得注意的是，轴流式压气机的工作原理与离心式压气机有所不同。
轴流式压气机通过叶片的作用将气体推向前进方向，而离心式压气机则通过离心力使得气体沿着轴线方向扩散。
由于工作原理的不同，轴流式压气机通常适用于需要高流量、低压比的应用，而离心式压气机则适用于需要高压比的应用。
03轴流式压气机c结构
§3.3.1 压气机的通流部分型式
压气机的通流部分型式
（3）等平均直径：等平均直径的级数及效率介于两 者之间。
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§3.3.1 压气机的通流部分型式
压气机的通流部分型式
（4）混合型：在大流量、高压比的压气机中，
采用组合型的通流形式。
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§3.3.2 压气机的静子
38 09:46:14
① 中心拉杆转子
中心拉杆转子若靠摩擦力传扭，每个轮 盘之间还需装有销钉。当运行中轮盘万一松 动，销钉将起保险作用而防止轮盘之间产生 相对滑移，以保证安全运行。而当转子拆开 后复装时，销钉可使各轮盘之间的周向相对 位臵保持原状。因此，中心拉杆转子除端面 齿式外，各轮盘之间都装有销钉。
（1）等外径: 等外径的优点是平均直径逐级增 大，即圆周速度逐级增大，故级的平均作功量 大于等内径的而使级数较少，其次是气缸平直 且 Nhomakorabea于加工。
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§3.3.1 压气机的通流部分型式
压气机的通流部分型式
（2）等内径: 等内径的优点是末级平均直径小而使 叶片高，有利于压气机效率的提高，还易于把通流 部分分为几个级组，每个级组设计成同一叶型以便 加工。
第三章 轴流式压气机原理和结构
第三节 轴流压气机的结构
09:46:14
1
轴流式压气机原理和结构
轴流式压气机的工作原理 压气机的特性曲线 压气机的喘振及防喘措施 轴流式压气机的结构
2
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§3.3
轴流式压气机的结构
压气机是工作在300 — 550℃之间的 高速转动部件，由于该工作温度不 太高，结构设计时主要考虑作用在 压气机上的各种机械力。压气机在 结构上应满足强度和刚度要求。
轴流式压气机工作原理
轴流式压气机工作原理
轴流式压气机是一种常见的压缩空气设备，其工作原理可以简单描述如下：
轴流式压气机由套筒形外壳、转子和定子等组成。
外壳中央设有一轴向进气口和出气口，内部则安放有多个叶片形状不同的转子和定子。
进气口处的空气经过导向器，进入第一级叶轮。
叶轮由轴驱动，高速旋转，使空气产生离心力。
离心力使空气由轴向进气口向外发散。
离心力将空气推向下一个叶轮，再次产生离心力作用，使空气压缩并加速。
这样从第一级叶轮到最后一级叶轮，空气经过多次加速、压缩，进一步提高了压缩比和压缩气体的温度。
最后，压缩后的空气从出气口排出。
在整个过程中，压缩机的转子和定子配合紧密，使空气不断地被压缩、加速，并最终以高压形式排出。
轴流式压气机的工作原理主要依靠转子和定子之间的高速旋转和叶片的设计。
其主要特点是空气流动方向与压缩机的轴线平行。
相比其他类型的压气机，轴流式压气机具备体积小、结构简单、效率高等优点，可广泛应用于压缩空气或其他气体的供给与输送。
3-轴流压气机原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
平面基元级
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
基元级的局限性： 1、无法考虑端部损失；
2、径向参数的不均匀性；
3、多级匹配问题； 4、周向参数不均匀的问题
叶轮机械原理——
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
基元级的无因次参数和无因次速度三角形
基元级的无因次参数有：运动反动度量Ω、流量系数Φ和能量头系数 等。关于运动反动度已在上面讲过，下面只介绍其它两个参数． 一、流量系Φ： 流量系数是气流轴向分速与圆周速度的比值．它表示着压气机的通流 能力。
2 2 W12 W22 C2 C12 U 2 U12 Lu 2 2 2
（1）、给气流加入功叶栅中的气流动能必然发生 变化，也就是加工量体现在气流动能的变化上。 （2）三项的意义分别是：相对动能的变化量（动 叶静压的升高）、绝对动能的变化量（为静叶静压 升高做准备）、离心力做的功。
第三章轴流压气机基元级理论
基元级速度三角形及主要参数
速度三角形（velocity triangles）的组成
C W U
C: 绝对速度 W：相对速度 U：牵连速度
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
决定速度三角形的主要参数 1、进口轴向分速度C1a 2、进口切向分速度C1u 3、圆周速度U
轴流压气机原理
高速旋转的叶片可能发生振动，导致叶片断裂或设备损坏。 解决方案包括优化叶片设计、加强设备刚度和改善气流稳 定性等。
结垢与磨损
在工业应用中，轴流压气机可能因吸入的灰尘、颗粒物等 导致结垢和磨损问题。解决方案包括定期清洗和维护、加 强过滤措施和使用耐磨材料等。
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轴流压气机原理
目录 CONTENT
• 轴流压气机概述 • 轴流压气机的工作流程 • 轴流压气机的结构与组成 • 轴流压气机的性能与优化 • 轴流压气机的应用与实例
01
轴流压气机概述
定义与特点
定义
轴流压气机是一种将空气或其他 气体压缩的机械设备，其气流方 向与转子旋转轴大致平行。
特点
轴流压气机具有较高的压缩效率 ，适用于大流量、低增压比的场 合，如航空发动机、燃气轮机等 。
01 02 03 04
密封结构用于防止空气在压气机内部泄漏，保证压缩过程的效率。
支承结构用于固定和支撑转子，确保其稳定运转，同时吸收振动和传 递扭矩。
密封和支承结构的设计需考虑机械强度、耐久性和维护性，以确保压 气机的长期稳定运行。
随着技术的发展，现代轴流压气机采用先进的密封和支承技术，以提 高性能和降低维护成本。
静子
静子是轴流压气机的固定部件 ，主要包括机壳、进气口和出
气口等部分。
静子的作用是引导空气流动， 确保气流在压气机中的流动路 径正确，同时将压缩后的空气
导出。
静子的设计需充分考虑空气动 力学原理，以减少流动损失和 阻力。
静子的制造材料和工艺对于压 气机的性能和使用寿命具有重 要影响。
密封和支承结构
气流进入
空气通过进气道进入压气 机，进气道的设计应确保 气流均匀、稳定地进入压 气机。
轴流式压气机的工作原理
轴流式压气机的工作原理轴流式压气机是一种常用于空气压缩和气体传输的设备，具有高效率、结构简单、体积小等优点。
它的工作原理主要涉及压力能量、动能和转动能量的转化过程。
轴流式压气机的工作原理基本上分为4个步骤：进气、压缩、扩散和排气。
第一步，进气：气体通过轴流式压气机的进气道进入，此时气体以低速度进入压气机中。
进气道的设计通常采用流线型的结构，以减小气流阻力和能量损失。
在进气道的入口处通常还会安装滤网，以过滤掉空气中的杂质和颗粒。
第二步，压缩：气体进入轴流式压气机后，经过压气机的旋转叶轮。
旋转叶轮上的叶片会将气体加速，并且将气体压缩。
叶轮上的叶片通常呈斜角，可以迅速将气体加速，并且将其推向下一个叶轮。
而叶轮的旋转则依靠电动机或者是燃气轮机提供的动力。
第三步，扩散：当气体通过轴流式压气机中的多个叶轮后，气体变得非常紧凑和高压。
然而，由于叶轮的旋转，气体的流动是一个轴向的。
为了使气体能够顺利地排出压气机，扩散器被用来将气体的轴向速度转化为静压能量，从而能够将气体尽可能地压缩。
第四步，排气：在扩散器将气体压缩后，气体排出压气机并进入下一个系统。
排气过程中，气体的流速逐渐减小，且流速与气体静压能量成反比。
此外，为了减小气体流动经过压气机后的尾流损失，通常还会在压气机的排气道中设置一些导流装置，以优化流动和减小能量损失。
总结来说，轴流式压气机的工作原理是通过进气、压缩、扩散和排气四个步骤来实现气体压缩和传输。
它利用旋转叶轮的运动和扩散器的转换作用，将气体的动能转化为压力能量，最终将气体排出。
这种工作原理使得轴流式压气机在各种应用领域中都表现出较高的效率和可靠性。
叶轮机械原理 第三章
第一节∗p压气机的总增压比发展历程第三章轴流压气机的工作原理∗L第三章轴流压气机的工作原理第二节轴流压气机的基元级和基元级的速度三角形高增压比的轴流压气机通常由多级组成，其中每一级在一般情况下都是由一排动叶和一排静叶构成，并且每级的工作原理大致相同，可以通过研究压气机的一级来了解其工作原理。
第三章轴流压气机的工作原理用两个与压气机同轴并且半径相差很小的圆柱面，将压气机的一级在沿叶高方向截出很小的一段，这样就得到了构成压气机一级的微元单位－－基元级，r Δ第三章轴流压气机的工作原理基元级由一排转子叶片和一排静子叶片组成，它保留了轴流压气机的基本特征。
因非常小，气体在基元级中流动其参数可以认为只在沿压气机轴向和圆周方向发生变化，在圆柱坐标系下，这样的流动是二维流动。
r Δ第三章轴流压气机的工作原理为研究方便，可将圆柱面上的环形基元级展开成为平面上的基元级。
C=w+u=ωru×第三章轴流压气机的工作原理第三节基元级中动叶和静叶的作用及基元级的反力度（一）基元级中动叶的作用压气机通过动叶驱动气体流动完成对气体作功，将外界输入的机械功转变成气体的热能和机械能。
uu u u c u c c u L Δ=−=)(12只要动叶对气体作了功，则一定有>u c Δ0亚声速基元级工作原理第三章轴流压气机的工作原理超声速基元级工作原理第三章轴流压气机的工作原理基元级中动叶的作用：1.加功，2.增压。
第三章轴流压气机的工作原理（二）基元级中静叶的作用uw Δuc Δß2ß1w 2w 1c 2c 1Y A x i s T i t l e第三章轴流压气机的工作原理气体流经压气机级的参数变化第三章轴流压气机的工作原理（三）基元级的反力度气流流过压气机基元级时，动叶和静叶都对气流有增压作用，当基元级总的静压升高确定后，就存在静压升高在动叶和静叶之间的分配比例问题。
基元级的静压升高在动叶和静叶之间的分配情况，对于基元级对气体的加功量和基元级的效率有较大的影响。
第3章第一节压气机的原理和特性ppt课件
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。 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。
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
主要内容
（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 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
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。
第一级
世界各大燃气轮机公司采用的压气机
制造厂
GE发电
ABB-Alstom
Siemens
三菱重工
燃机型号（系列号）
MS9001FA
MS9001G/H
GT26
V94.3A
M701F
M701G
压气机型式、级数
代替圆周速度马赫数的定性准则数
（四）压气机的不稳定工况
典型的 不稳定工况
失速 喘振 阻塞
1.压气机的失速
(a)流量大于设计值 (b)流量小于设计值
叶背的边界层分离区易扩大
叶栅的失速 ——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。 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。
轴流式压气机工作原理
轴流式压气机工作原理
1. 概 述 2. 压气机级的工作原理 3. 压气机叶栅的几何参数与叶片扭转规律 4. 压气机工作过程的特点 5. 压气机级中的能量损失 6. 压气机变工况及性能曲线 7. 压气机的喘振及防喘措施 8. 压气机结构
动叶与静叶
动力式压气机 的特点
利用高速旋转的动叶对气体作功，把转动 轴上的机械能转化为气流的动能和压力能 ， 让气流增压，故通常又把它们称为叶片式压 气机。 它们的特点：供气压力相对来说低一些 ， 但供气量却比较大，而且是连续稳定的。
气流中增压 过程的物理图景
让高速气流流过在静叶之间形成的通 流截面不断扩大的扩压流道，使气流的 流速逐渐降下来，在这个降速流动过程 中，前方已经减速下来的气体分子就会 被后面流来的，流速较快的气体分子追 赶上，因此达到使气体分子彼此靠近而 达到增压的目的 。
燃气轮机常用的压气机有三种型式
1. 轴流式压气机：是指气体在压气机内的 流动方向大致平行于压气机旋转轴线的压气 机，它是本章讨论的主要对象。 2. 离心式压气机：也称为径流式压气机， 气体在压气机内的流动方向大致与旋转轴线 相垂直的压气机。 3. 混合式压气机：指同一台压气机内，同 时具有轴流式与离心式工作轮叶片。一般轴流 级在前，离心级在后。
概 述
要使气体增压，就是使单位容积内气体的分子数目 增加，或让在气流中气体的分子彼此之间的距离靠近， 就可以达到提高气体压力的目的。 常见的气体增压方法有下述两种： 第一种方法是在活塞式压气机中来实现的 ; 第二种方法是利用动力式压气机来实现的 。燃气轮 机中的轴流式压气机便是，它是靠高速旋转的叶片对 气体作功来实现气流的压缩增压的。
轴流式压气机的增压原理
轴流式压气机的增压原理概述轴流式压气机是一种常见的气体压缩设备，主要用于提升气流的压力。
本文将详细介绍轴流式压气机的增压原理，包括工作原理、结构特点、增压效率等方面。
工作原理轴流式压气机的工作原理基于气体在机件中的连续流动和动量传递。
它由一系列纵向排列的叶片和转子组成，气体流经时会受到叶片的动量转移和增压作用。
具体的工作过程可以分为下述几个步骤：1.进气阶段：气体通过进气口进入压气机，此时气体处于低压状态。
2.叶片作用：气体流经转子和叶片时，受到叶片的加速作用。
叶片的设计和位置决定了气体流动的方向和速度。
3.动量传递：气体的动能会转移到叶片上，同时气体的速度也会随之增加。
叶片的形状和角度会影响动能转移的效率。
4.增压作用：通过一系列叶片和转子的作用，气体的压力逐渐增加。
叶片和转子的数量、尺寸和排列方式都会对增压效果产生影响。
5.出气阶段：增压后的气体通过出气口排出，此时气体处于高压状态。
结构特点轴流式压气机的结构特点主要体现在以下几个方面：叶片轴流式压气机的叶片通常呈螺旋形状，可以将气体的动能转移到压缩空气中。
叶片的材料通常选择高强度和耐磨损的合金材料，以保证其工作寿命和运行稳定性。
转子转子是压气机的核心部件，由多个叶片组成。
它通常由高强度的金属材料制成，同时也要考虑材料的轻量化和疲劳性能。
转子的数量和排列方式会对气体的增压效果产生重要影响。
导向器导向器的作用是引导气流的流向和流速，调节气体进入转子的角度。
导向器的设计和调整可以影响气体的流动状态，进而影响增压效果。
进出口进出口是气体流入和流出压气机的通道，通常需要设计合理的截面积和形状，以确保气体的流通畅顺并减小压力损失。
增压效率轴流式压气机的增压效率是评估其性能的重要指标之一。
增压效率由以下几个因素决定：叶片和转子设计合理设计的叶片和转子可以最大限度地实现动能转移和增压作用。
叶片的形状、角度和尺寸需要在设计过程中加以优化。
进出口设计进出口通道的设计应尽可能减小气流的损失，以提高增压效率。
轴流式压气机工作原理(伯努利方程)
进口、收缩器、导向叶片（导叶）、动叶片、转子、扩压器、出口增压原理：伯努利方程，气体从进口流入压气机，经收缩器时流速得到初步提高，进口导向叶片使气流改为轴向，同时还起扩压管的作用，使压力有所提高。
转子在外力作用下作高速转动，固装在转子上的动叶片推动气流，使气流获得很高的流速。
高速气流进入导叶（静叶），气流动能降低而压力升高，相邻导叶叶片间的通道相当于一个扩压管。
气体流经每一级连续进行类似的过程，使气体压力逐渐升高伯努利方程：理想正压流体在有势体积力作用下作定常运动时，运动方程（即欧拉方程）沿流线积分而得到的表达运动流体机械能守恒的方程。
因著名的瑞士科学家 D.伯努利于1738年提出而得名。
对于重力场中的不可压缩均质流体，方程为:式中p、ρ、v分别为流体的压强、密度和线性速度；h为铅垂高度；g为重力加速度；c为常量。
上式各项分别表示单位体积流体的压力能p、重力势能ρgh和动能(1/2)*ρv ^2，在沿流线运动过程中，总和保持不变，即总能量守恒。
但各流线之间总能量（即上式中的常量值）可能不同。
对于气体，可忽略重力，方程简化为p+(1/2)*ρv ^2=常量(p0)，各项分别称为静压、动压和总压。
显然，流动中速度增大，压强就减小；速度减小，压强就增大；速度降为零，压强就达到最大(理论上应等于总压)。
飞机机翼产生举力，就在于下翼面速度低而压强大，上翼面速度高而压强小，因而合力向上。
据此方程，测量流体的总压、静压即可求得速度，成为皮托管测速的原理。
在无旋流动中，也可利用无旋条件积分欧拉方程而得到相同的结果但涵义不同，此时公式中的常量在全流场不变，表示各流线上流体有相同的总能量，方程适用于全流场任意两点之间。
在粘性流动中，粘性摩擦力消耗机械能而产生热，机械能不守恒，推广使用伯努利方程时，应加进机械能损失项[1]。
轴流压气机原理教学课件
3
学术竞赛
参加学术竞赛也是锻炼学生实践能力的有效途径 ，通过竞赛可以提高学生的竞争意识和团队合作 精神。
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数据分析
实验后，应指导学生进行数据分析和处理，通过数据分析来验证 轴流压气机的工作原理和性能特点。
学生实践与项目
1 2
课程设计
在课程设计中，可以要求学生设计一款新型的轴 流压气机，通过设计过程来加深对轴流压气机原 理和设计的理解。
科研项目
鼓励学生参与科研项目，通过实际的项目经验来 提高对轴流压气机的应用能力和创新能力。
环保化
开发低噪声、低排放的压气机，满足 日益严格的环保要求。
05
轴流压气机的教学资源与实验
教学资源推荐
01
教材
推荐使用《轴流压气机原理与设计》等教材，这些教材系统介绍了轴流
压气机的基本原理、设计方法、性能分析等内容，是学习轴流压气机原
理的重要参考书。
02
在线课程
推荐参加一些在线课程，如中国大学MOOC上的相关课程，这些课程
02
轴流压气机的工作原理
转子工作原理
转子结构
轴流压气机的转子由多级叶片组成，叶片呈螺旋 形排列，安装在转子叶片轮盘上。
工作原理
转子叶片在高速旋转时，将空气吸入压气机，并 在叶片的压缩作用下，将空气向前推进。
压缩过程
转子叶片通过不断旋转，对空气进行连续压缩， 使空气压力和温度逐渐升高。
静子工作原理
材料选择
选用轻质、高强度的材料，减 轻压气机重量，提高其性能。
控制策略
采用先进的控制策略，实现压 气机的智能调控，提高其响应
速度和稳定性。
未来发展趋势
高效化
第三章 轴流式压气机工作原理
：动叶中有多少动能用于压力势能的增加和克服动叶流阻， 即动叶中压力势能转换值 ：静叶中压力势能转换值
2 c2 c12 2
所以Lu代表气体流经动叶和静叶发生的压力势能转换总和
反力度定义式：
1 ( 2
2) w12 w2
Lu
物理意义：动叶中用于压力势能转换的能量与整个级用于压力势能转换 的能量比值。
k 1
2、做功及效率：
实际加功
L k ad ,k Lk
pk ( ) k 1 p1 k Tk 1 T1 k 1
滞止等熵功
L ad ,k
kR p2 T1 [( ) k 1 p1
k 1 k
1]
3-2 多级轴流压气机分解研究方法
二、简化速度三角形有关参数讨论 1、动叶进口绝对速度轴向分量C1a 迎风面积， C1a
，面积 ，效率
第一级很重要
效率
C1a
2、动叶进口绝对速度周向分量C1u C1u 称为预旋
3、圆周速度u 直接影响加功量大小 4、动叶前后气流相对速度或绝对速度变化量Δwu 或（Δ wc）
3-4 基元级中气流加功和增压
K
1 ( 2 2) w12 w2
Lu
w1u w2u 2u
u c1u u c2u c1u cu c1u wu 或 K 1 1 2u u 2u u 2u
反力度是压气机设计中非常重要的指标
当u ，Δwu 一定时，C1u
K
通常根部反力度小，需采用减小C1u以增大反力度，即反预旋
u
Lu
4、Δwu Δwu增加 单级Lu增加（Lu＝ uΔwu ） 亚音级： wu 超音级 wu 静叶：wu 级数少 重量轻 分离
03轴流式压气机a原理
09:48:26
26
基元级的速度三角形分析
•多级轴流压气机是由多个单级压气机串联组成，而
其中每一个单级压气机又是由很多个基元级沿叶高
叠加而成。 •压气机是通过无数个基元级实现对气体的加功和增 压，基元级构成了轴流压气机的基础。
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27
•设计压气机从设计压气机的基元级开始，而设计基元 级又是从确定基元级的气动参数开始。
元级中流动其参数可以认为只在沿压气机轴向和圆周
方向发生变化，在圆柱坐标系下，这样的流动是二维 流动。
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2.轴流压气机基元级的速度三角形 为研究方便，可将圆柱面上的环形基元级展开 成为平面上的基元级。 C =w+u u r
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9
w1
w2
c1
c2
w1
w u
u2
cu
u1
wu cu c2u c1u
只需要确定 c1a、 c1u 、u 和 wu四个参数，则简
(b)
化形式的基元级速度三角形就完全确定了。
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11
轴流压气机的基元级和基元级的速度三角形
问1：基元级的分析方法有何优点？ 问2：为什么轴流压气机要动叶和静叶配合？或 者说动叶和静叶的作用各是什么？
• 基元级的反力度低；
w1
Wu
w2
c1
c2
• 静叶进口的c2大，且斜； • 基元级静叶设计难度大。
38
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采用反预旋，可以：
• 提高基元级的反力度；
w1 w2
Wu
c1
c2
• 减小静叶进口c2，改善进 气方向； • 降低静叶设计难度。
轴流式压气机工作原理
工作原理
当气流进入导向器时，叶 片角度调整使气流按照所 需方向进入工作轮。
工作轮
作用
01
使气体压缩。
结构
02
由多个叶片组成，叶片呈螺旋形排列。
工作原理
03
当工作轮旋转时，气流在叶片的引导下做旋转运动，同时受到
叶片的压缩作用，使气体压力和温度升高。
扩压器
作用
降低气体的流速，将动能转化为压力能。
结构
优化与改进措施
优化设计
通过对轴流式压气机的设计进行优化，可以减小各种损失，提高压缩机的效率和工作稳定 性。例如，优化叶轮、导流器和机壳的设计可以改善流动状态，减小摩擦和泄露损失。
材料改进
采用高强度、轻质、耐高温的材料可以减轻压气机的重量，提高其机械性能和热力性能。 例如，采用钛合金、镍基合金等耐高温材料可以提高压缩机的耐热性能和使用寿命。
消音器
压缩空气通过排气导管排出压气 机外部，进入后续的燃烧室或涡 轮等设备。
为了减小排气噪音，轴流式压气 机通常配备有消音器，通过吸收 和反射声波来降低噪音。
03 轴流式压气机的结构与部 件
进口导向器
01
02
03
作用
控制气流方向，引导气流 进入压气机。
结构
由一组可调叶片组成，通 过改变叶片角度来调整气 流方向。
消音器
作用
降低压气机工作时的噪音。
结构
由一组消音片组成，消音片之间形成消音腔。
工作原理
当气体经过消音器时，由于消音片的阻尼作 用，气体的振动能量被吸收，从而降低噪音 。
04 轴流式压气机的性能与优 化
效率与损失
效率
轴流式压气机的效率是指其压缩空气的效率，通常以压缩机的出口压力与进口压 力的比值来衡量。提高效率可以减少能量损失，提高压缩机的性能。
03-1轴流式压气机a原理
(2) 轴流压气机大小叶片理论
•在转子通道的后半部分局部增 加小叶片，增大转子的作功能力。 •Wennerstrom于七十年代提出， 并进行了试验验证。 •九十年代以后，采用CFD技术 进行优化设计。
42
扭速 wu 的限制
• Lu ucu uwu ，增大扭速可以增大基元级的加功量。
8
用两个与压气机同轴并且半径相 差很小的圆柱面，将压气机的一级 在沿叶高方向截出r 很小的一段， 这样就得到了构成压气机一级的微 元单位－－基元级，压气机的一级 由很多基元级沿叶高叠加而成。
9
基元级由一排转子叶片和一排静子叶片组成，它保 留了轴流压气机的基本特征。因 r 非常小，气体在基 元级中流动其参数可以认为只在沿压气机轴向和圆周 方向发生变化，在圆柱坐标系下，这样的流动是二维 流动。
简化速度三角形
13
w1
w2
c1
c2
c1a
wu
c1u u2
u1
cu
u c1a c1u (b) wu
wu称为扭速，
在气流沿圆柱面流动的情 况下，u1 u2 ，可得到 cu c2u c1u wu wu w1u w2u
14
2、叶片与气体间的力与功（备用）
29
超声速压气机增能原理
w1
w2
c1
c2
c1a
wu
c1u u2
u1
cu
超音速和跨音速 基元级速度三(b角) 形 30
4、轴流压气机的增压比和效率
压气机的增压比定义
k
pk p1
31
压气机的总增压比发展历程
32
压气机的绝热效率定义
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1）边界层摩擦损失
2）边界层分离损失 3）尾迹损失 4）尾迹与主流掺混损失 5）气流穿过激波损失
三 平面叶栅气动参数
1、进气角β1 来流与额线夹角 2、攻角i 进气角与几何进口角夹角
3、出气角β2 出口气流与额线夹角 4、落后角δ 出气角与几何出口角夹角
5、气流转角△β 气流流过叶栅方向的改变 6、损失系数
c1u
w1 c12a (u c1u ) 2
w1
c2
M w1
M c2
c1u wu u 2u
c2 c12a (c1u wu ) 2 c1u
尖部C1u ＞0，正预旋 根部C1u ＜0，反预旋 3、圆周速度u
控制反力度很有效 K 1
D
wmax w2 wmax
wmax
w1
w u w1 2
物理意义:气流流经叶栅 相对扩压程度大小
wmax w 2 D wmax
w u w2 w 2 w u 2 1 w1 w1 2w1
动叶叶尖D≤0.4，其它部位及静叶D≤0.6
4、弦长和叶片数目确定
5）不计重力
2、受力分析： 离心力
2 cu drd
2 dm cu / r， dm rddrda
( p dp)(r dr)d prd 2( p dp / 2)dr sin(d / 2)
sin(d / 2) d / 2
2 cu dp dr r
四 平面叶栅的实验研究
（一）亚声平面叶栅风洞
f1 (i, Ma1 )
f 2 (i, Ma1 )
f 1 (i )
来流马赫数低于0.4～0.6
f 2 (i )
（二）平面叶栅攻角特性
i : （基本不变）
基本不变, 损失由摩擦引起
i : icr max 气流部分分离，损失增大
或 K
u c1u u c2u c c c w 1 1u u 1 1u u 2u u 2u u 2u
反力度是压气机设计中非常重要的指标
当u ，Δwu 一定时，C1u
K
通常根部反力度小，需采用减小C1u以增大反力度，即反预旋 几种特殊的反力度值：
K 0
2 2 2 w12 w2 w12a w12u w2 a w2u 2 w12u w2u ( w1u w2u )( w1u w2u )
代入能量反力度表达式
Lu uwu u ( w1u w2u )
K
1 ( 2 2 w12 w2 )
Lu
w1u w2u 2u
例：1 50
2＝80 , 如何布置叶栅？
1、绘制方法
0.8 max
2、应用限制
b / t 0.5 ~ 2.5 0 ~ 45
a 0.4 ~ 0.45 c 0.05 ~ 0.12 i 5
Ma＜Macr 额定工作状态
3、规律分析
2 一定， ， 2
2、栅距 t： 相邻叶型额线方向距离 3、叶栅稠度τ： 弦长与栅距的比值τ＝b/t 4、几何进口角β1k和几何出口角β2k 中弧线在前后缘点切线与额线夹角
二、平面叶栅中气流的物理图画和损失
1、物理图画 来流Ma1＝0.8，出口Ma2 ＝0.6 叶背继续加速，可能达到超音速 叶盆无局部超音速 2、损失
2 2 w1 w2 2
：动叶中有多少动能用于压力势能的增加和克服动叶流阻， 即动叶中压力势能转换值 ：静叶中压力势能转换值
2 c2 c12 2
所以Lu代表气体流经动叶和静叶发生的压力势能转换总和
反力度定义式：
1 ( 2
2 w12 w2 )
Lu
物理意义：动叶中用于压力势能转换的能量与整个级用于压力势能转换 的能量比值。 2、运动反力度 K 目的：与速度三角形联系，应用方便 设u1=u2，w1a=w2a
速度三角形
配置叶栅
1、动叶进口绝对速度轴向分量C1a 迎风面积， C1a 第一级很重要 效率， 推力 C1a C1a
，面积 ，效率
根据应用场合适当舍取
，推力
Maca 1
q( )变化很小
美国： Ma =0.5～0.55（民用）~0.65（军用） 苏联：Ma＞0.65
中国：Ma≤0.65
C1a
2、动叶进口绝对速度周向分量C1u
一定， 2 ，
五 平面叶栅几何参数的确定
1、叶型的选择 最大相对厚度及位置
尽量薄 尖部小，根部大 高速大低速小
影响较大
最大相对挠度及位置
决定临界马赫数
高速大低速小
2、中弧线的确定
抛物线、双圆弧、多圆弧 3、叶栅稠度的确定和扩散因子 亚声级：查额定特性图 高亚声级、超声级：D因子法
K w1u w2u 0 2u
w1u w2u 0
K 0.5
K w1u w2u 0.5 2u
w1u w2u u
w2u c1u，即w2 c1
K 1
u c1u u c2u K 1 2u
(c1u c2u ) 0
五、速度三角形的分析与设计 给定设计要求
选定叶片数 选定弦长
设计 需要 所需稠度 查图或由D因子确定 计算稠度
小弦长可减小轴向尺寸 弦长b
低增压比 高增压比
大弦长增加稳定工作范围
5、攻角的选定和落后角的确定
攻角：影响效率和失速裕度，以实验或经验选定 落后角：影响加功和扩压以及下一级入口气流角
t m b
m 0.92(a) 2 0.002 2 0.18
c12a (c1u wu ) 2
三、预旋的作用 1、正预旋可使相对速度降低，减小损失 2、提高气流圆周速度，提高轮缘功 3、可使C1a增大，增加流量或减小迎风面积
3-5 压气机叶型和叶栅的基本参数
一、平面叶栅的几何参数
（一）叶型几何参数 1、中弧线 2、弦长b 中弧线与叶型前后缘连线 3、最大挠度（fmax）及相对位 置 中弧线到弦的最大距离，称为最大挠度
Lu＝ uΔwu
u
Lu
4、Δwu
Δwu增加
单级Lu增加（Lu＝ uΔwu ） 亚音级： wu
级数少
重量轻
分离
动叶 但Δwu增加
效率η降低
超音级 wu
静叶：wu
激波强度
M c2
c2
流阻
2 c2 c2 a (c1u wu ) 2
第三章
一、基本组成
轴流式压气机工作原理
压 气 机 组 成
叶片
转子
基元级 轮盘 静子（整流器）
二、性能参数
1、增压比：压气机出口压力与进口压力之比
pk p1 k
pk k p1
k R Tk Lk c p (T T ) T1 ( 1) k 1 T1
简化径向平衡方程
简化径向平衡方程物理意义：离心力由径向压力梯度dp/dr来平衡
2 ci2 c0 Lu 2
i
dp
0
Lf
对r求导
dLu 1 dp 1 dc2 dL f dr dr 2 dr dr
2 2 c 2 cu ca
2 1 d (cu r ) 2 dca 0 2 dr dr r
二、简化速度三角形有关参数讨论 1、动叶进口绝对速度轴向分量C1a
迎风面积， C1a
第一级很重要 效率 C1a
，面积
，效率
2、动叶进口绝对速度周向分量C1u
C1u 称为预旋
3、圆周速度u 直接影响加功量大小 4、动叶前后气流相对速度或绝对速度变化量Δwu 或（Δ wc）
3-4 基元级中气流加功和增压
2 1 ( 2 k ) ( 1k i ) 2 k 1k 流经叶栅的总损失 p1 p2 1 p1 p1 p1 1 p1 1 ( Ma1 ) p1
一、动叶对气流的加功
以动叶为研究对象，即气体对动叶作功
气流作用于叶片的周向分力： Pu＝m(w1u-w2u) 单位时间做功为 －m(w1u-w2u).u 单位质量气体做功为 － (w1u-w2u).u 动叶对气体作功为 Lu＝u (w1u-w2u)=u Δwu
轮缘功
r1 r2
动量矩定理
M m(c2u r2 c1u r1 ) M m (c2u r2 c1u r1 ) m(c2u u2 c1u u1 )
代入简化径向平衡方程
2 1 d (cu r ) 2 dca 0 2 dr dr r
Lu (c2u r2 c1u r1 ) K
dc1a 0 dr
特点：
dc2a 0 dr
动叶前后轴向分速度沿叶高为常数
1 arctan(
C1a ) （1）绝对进气角沿叶高增大 C1u C 1 arctan( 1a ) （2）相对进气角沿叶高减小 U1 C1u （3）绝对出气角沿叶高增大 2 arctan(C2 a ) C2u C2 a （4）相对出气角沿叶高减小 2 arctan( ) U 2 C2 u c c （5）反力度沿叶高增加 K 1 1u u u 2u
相对位置 a a / b
相对挠度f f max / b
4、最大相对厚度 c 及其相对位置 e cmax 叶型最大厚度
c
b
e
e b
叶型最大厚度距前缘距离
5、叶型前缘角后缘角 中线在前后缘处切线与弦的夹角
6、叶型弯角θ
1 2