4-燃气轮机-第四讲 压气机工作原理及特性

（三）压气机的特性和通用特性曲线
1、压气机的主要性能参数 、 1．质量流量q ．质量流量 表示单位时间内流经压气机的质量流量，单位kg/s 表示单位时间内流经压气机的质量流量，单位 2．压比 ．
压气机排气总压与进气总压的比值。 压气机排气总压与进气总压的比值。
3．等熵压缩效率 ．
h*2 s − h*1 ηs = * h 2 − h*1
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。 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：叶型前、后缘点的连线。 叶栅前后额线：叶型前、后缘点的连线。
叶栅前后额线 叶型安装角γ 叶型安装角 p 栅距t 入口安装角β 入口安装角 1j 出口安装角β 出口安装角 2j
进出气角：气流进、出口相对流速与叶栅前、 进出气角：气流进、出口相对流速与叶栅前、 进口冲角： 进口冲角：叶栅的入口安装角与气流进气 后额线的夹角。 后额线的夹角。 角之差。 角之差。
气流转折角：气流出气角与进气角之差。 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。 出口落后角：叶栅的出口安装角与气流出气角之差。
级前1、级间2和级后3
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 弦长 前后缘方向角 叶型的弯曲角
叶型：叶片横截面形状。 叶型：叶片横截面形状。 型线：叶型轮廓线，包括背弧型线、 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。 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。 弧型线及二者的连接圆弧线。
2效率曲线
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 每一转速下的压比均有一最大值（最大压比点： 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 转速不变，流量降低到一定值后， 转速不变 脉动引起的整台机器的剧烈振动。 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。 喘振边界线：各转速下喘振工况点的连线。 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 转速不变，流量增大到一定值后，压比急剧下降， 转速不变 无法继续增大的现象。 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 不同转速下的压比特性线形状稍有不同，转速越高， 越陡。 越陡。
代替进口速度马赫数的 代替进口速度马赫数的 进口速度马赫数 定性准则数
代替圆周 代替圆周 转速马赫 数的定性 准则数
某压气机通用特性线
影响压气机级的增压能力的因素（限制条件） 影响压气机级的增压能力的因素（限制条件）
叶片材料许用应力（强度） 叶片材料许用应力（强度）的限制 圆周速度u不能过大 圆周速度 不能过大 叶栅气动性能的限制 气流转折角∆β不宜过大 气流转折角 不宜过大
5.轴流式压气机的级效率
6.轴流式压气机的效率和能量损失
第三章 压气机工作原理和结构
1、压气机的主要功能和分类 2、轴流式压气机的本体结构 3、压气机的级的工作原理 4、压气机的特性和通用特性曲线 5、压气机的不稳定工况
（三）压气机级的工作原理
思考题一：何为轴流式压气机的基元级？ 思考题一：何为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 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。 穷小的级。 三个特征截面：
能量损失 输 入 的 机 械 功
压气机效率： 压气机效率：
理 想 压 缩 功
Ws ηc = × 100% δ hc W ⇒ ηc = 1 − W W = Ws + δ hc
压气wk.baidu.com的能量损失
内部损失
型阻损失（影响因素：叶型） 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； 摩擦和脱离现象引起 、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； 涡流以及与主流的掺混； 、叶片表出口尾迹中的涡流以及与主流的掺混 激波现象等引起的能量损失 c、在超音速气流中发生的激波现象等引起的能量损失。 、在超音速气流中发生的激波现象等引起的能量损失。 端部损失（影响因素：叶片高度） ② 端部损失（影响因素：叶片高度） 端部摩擦 二次流损失 径向间隙的漏气损失（影响因素：动静间隙大小、 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） 直径大小等）
压比随流量的变化情况（转速不变） 压比随流量的变化情况（转速不变）
无损失时： 无损失时：级的压比随流 量的增大而减小 考虑摩擦损失时： 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： 考虑考虑漩涡损失时：存 在使压比最大的最佳流量
3、多级压气机的特性曲线 、
（轴流式） 轴流式） 主要区别： 主要区别：
4．压气机所耗的功率Pc ．压气机所耗的功率
* Pc = 10−3 q (h2 − h1* )
2、单级压气机变工况工作特性 、 思考题：何为压气机特性线？ 思考题：何为压气机特性线？ 在转速恒定的条件下， 在转速恒定的条件下，压气机 的压比 π 和效率 ηc 随流量的 改变而变化的关系曲线。 改变而变化的关系曲线。
(4 − 9)
(4 −13)
静叶栅（能量守恒） 静叶栅（能量守恒）
2 2 c2 − c3 p3 − p2 = + ∆hr 2 2 ρ 23
(4 − 16)
⇔
p3 − p2
ρ 23
2 2 c2 − c3 = − ∆hr 2 2
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， 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， 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； 使气流的相对速度降低； 气流在流过动叶栅时的相对速度降低 所释放的动能， 所释放的动能，除一部分转换为摩擦 热并为气体吸收外， 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； 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， 释放的动能，除一部分转换为摩擦热 并为气体吸收外， 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。 的压力势能，使气体的压力升高。
栅距t 两个相邻叶型上同位点在圆周方向上的距离。 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γ 外弦线与圆周方向的夹角。 叶型安装角γp ：外弦线与圆周方向的夹角。
主要气动参数
进出气角β 进出气角 1和β2 进口冲角 i =β1j-β1 出口落后角 δ=β2j-β2 气流转折角 ∆β=β2-β1
3.压气机基元级的速度三角形
气流的绝对速度、 气流的绝对速度、 相对速度和圆周速 度的矢量关系： 度的矢量关系：
扭速：相对速度的圆周分量变化量。 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。 (反映外界对气体做功量的大小。)
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 动叶栅加功量 对单位质量气体) 对单位质量气体
等效率线
1压比曲线
当转速n 一定时，压比曲线可分为左、 当转速 c一定时，压比曲线可分为左、 右两侧支。 右两侧支。 在特性线上某点o处的压比最高 处的压比最高。 在特性线上某点 处的压比最高。
压气机只能在喘 在转速nc一定时，有一个流量使效率 在转速 一定时， 振边界线的右侧工作。 振边界线的右侧工作。 最高，此时流阻最小。 最高，此时流阻最小。 当流量Gc增加或减少时，都使流阻增大， 增加或减少时，都使流阻增大， 效率下降。 效率下降。 下降
2 2 c2 − c12 w12 − w2 + wc = u∆wu = 2 2 2 p2 c2 − c12 = + ∆hr1 + ∫ vdp p1 2 2 p2 1 c2 − c12 dp = + ∆hr1 + ∫ p1 ρ 2 2 c2 − c12 p2 − p1 = + ∆hr1 + 2 ρ12
通用特性线： 通用特性线：
用压气机对应的定性准则数 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 为自变量绘制出压气机的通用 压比特性线和效率特性线。 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 第一级动叶栅的进口速 度马赫数和 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， 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。 可代替成为定性准则数。
外部损失
支持轴承和止推轴承上的机械摩擦损失； 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） （相应的减损措施：采用高效轴承、适当润滑等措施） 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 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。 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：增设气封装置） （相应的减损措施：增设气封装置）
4.压气机的通用特性线
流量特性线的缺陷： 流量特性线的缺陷：
流量为自变量、 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， 件的压气机，若压气机尺寸或 进气条件改变， 进气条件改变，需通过重新实 验获得特性线，应用不便。 验获得特性线，应用不便。 “通用的”内涵： 通用的”内涵： 通用的 无论压气机的尺寸 几何相似）、 ）、进气量 （几何相似）、进气量 和进气条件如何变化， 和进气条件如何变化， 该特性线都适用。 该特性线都适用。 “通用的”根据： 通用的”根据： 通用的 根据相似原理 相似原理， 根据相似原理，若 对应的定性准则数 定性准则数彼此 对应的定性准则数彼此 相等， 相等，则对应的所有无 因次参数都彼此相等。 因次参数都彼此相等。
前后缘方向角：叶型前、 前后缘方向角：叶型前、后缘点处中弧线的切 弦长： 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。 叶型的弯曲角 ：表征叶型弯曲程度的角度。 线与外弦线间的夹角。 线与外弦线间的夹角。 ：型线在弦线方向的投影长度。 外弦长——b θ = χ1+外弦长 χ2 内弦长——中弧线两端点的连线。 中弧线两端点的连线。 内弦长 中弧线两端点的连线
多级压气机的压比曲线， 1 多级压气机的压比曲线，一般不存在 左侧支，喘振在右侧支上出现。 左侧支，喘振在右侧支上出现。 喘振点的压比为该转速的最高压比） （喘振点的压比为该转速的最高压比） 在相同转速下，多级压气机的压比、 ② 在相同转速下，多级压气机的压比、 效率的变化比单级的更剧烈， 效率的变化比单级的更剧烈，即特性 曲线变得更陡峭。 曲线变得更陡峭。 在转速不变时，正常工作范围较小） （在转速不变时，正常工作范围较小） 压气机的转速愈高， ③ 压气机的转速愈高，多级压气机的特 性曲线显得愈陡峭。 性曲线显得愈陡峭。