压气机知识

压气机的特性认识
通过这学期的课堂学习和近段时间课下查资料学习，使我对压气机的知识有了一定的了解和认识。

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。

首先，我们了解下轴流压气机的结构和工作特性。

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。

每一排动叶和紧随其后的一排静叶构成轴流式压气机的一级。

压气机的效率高，说明压缩过程中的流阻损失小，实际过程接近理想过程。

或者说，压气机效率愈高，达到相同增压比时，所需要外界输入的机械功愈少。

目前，单级轴流压气机的绝热效率可以达到90％以上，高增压比的多级轴流压气机的绝热效率也可以达到85％以上。

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，且每级的工作原理大致相同，因此我们可以通过研究压气机的一级来了解其工作原理。

轴流压气机的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。

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（如图1－1），在二维平面上研究压气机基元级的工作原理。

图1－1展开成平面的基元级
速度三角形在研究压气机工作特性中有着重要的作用。

将动叶进口和动叶出口的速度三角形叠加画到一起，就可以得到基元级的速度三角形，如图1－2（a）所示。

在一般亚声速流动的情况下，气流经过基元级的动叶和静叶后，绝对速度的周向分量Cu和相对速度的周向分量Wu变化比较大，而绝对速度的轴向分量Ca和相对速度的轴向分量w a变化不大，可近似地认为Ca1=Ca2=Ca3。

这样，基元级的速度三角形可进一步化简为图1－2(b)所示形式。

通过速度三角形我们就可以对压气机中气体流动情况进行分析。

(a)w1w2c1c2β1β2
α1α
2∆w u
∆c u
u1
u2
c1a
c1u
(b)
图1－2基元级速度三角形
基元级中动叶的作用：无论是超声速基元级还是亚声速基元级，动叶对气体的加功都是通过改变气流绝对速度的周向分量并使△C u>0实现的，而气流流过动叶后静压升高则都是通过减小气流的相对速度实现的，只是超声速基元级和亚声速基元级在加功和增压的方式上有一些差别。

因此基元级中动叶的作用可概括为加功和增压。

基元级中静叶的作用：气流经过压气机基元级的动叶后，只要动叶对气流作了功，则一定有气流的△C u>0，即动叶出口处的绝对气流方向（比进口）更加偏离压气机的轴向。

这样，在动叶的后面就需要有一排叶片，将气流的方向重新偏转到接近轴向方向，为下一级的动叶提供合适的进气方向。

如果静叶进口气流的速度比较高（>0.85），那么，在静叶通道的进口区域也可能出现局部超声速流动和激波，激波后的气流以亚声速流动,在扩张的流道中进一步减速和增压。

因此基元级中静叶的作用可概括为导向和增压。

无论动叶或静叶，静压升高意味着叶片通道中的逆压梯度增大，而过大的逆压梯度将引起该叶片排中的流动产生分离，严重的分离会导致该叶片排失效，动叶失效将使得动叶的加功和增压能力下降，静叶失效将使得静叶的导向和增压能力下降，动叶或静叶中的流动分离都会引起流阻功增加、气体的机械能减少和基元级的效率下降。

为了说明基元级中的静压升高在动叶和静叶之间的分配情况而引入了反力度。

反力度反映了动叶中的静压升高占整个基元级静压升高的百分比的大小，即反映了基元级中的静压升高在动叶和静叶之间的分配情况。

在动叶加功量较大的情况下，如果反动度过低（<0.3），则气体通过动叶后静压升高不多，动叶加给气体的机械能主要是动能，这样动叶出口的速度就会很大，而且方向也偏离轴向很大，这样会加大静叶的设计难度，在进口速度很高的情况下静叶中的流动损失也将增加。

因此，需要尽量避免反动度过低的现象发生。

叶栅中的流动损失由以下各项组成：
1.附面层内气体的摩擦损失。

2.逆压梯度作用下的附面层分离损失，特别是激波——附面层干涉会加重分离。

3.导致分离损失急剧增加。

4.激波造成的总压损失。

5.尾迹损失（叶片两侧附面层在尾缘处脱体时产生的旋涡流动损失和尾迹区与主流区的掺混损失）。

以上损失也称为叶型损失。

轴流压气机中的流动主要有：端区附面层流动、径向间隙流动、通道涡流动和叶片表面附面层潜移流动。

在压气机一级中的倒流、潜流、间隙流和通道涡等流动现象中，气体的流动方向与主流区的流动方向不一致，通常将这些与主流区流动方向不一致的流动统称为二次流动，由二次流动造成的损失被简称为二次流损失。

压气机一级出口的总压损失系数ω沿叶高分布是叶根、叶尖两端高、叶中低。

这样，
在设计压气机一级时，如果要想获得级出口的总压沿叶高分布比较均匀的话，那么沿叶高动叶加功量的分配就不能为常数，可以在动叶的叶根和叶尖多安排一些加功量，以抵消端区总压损失系数 大的影响，使得压气机级出口的总压沿叶高接近一致。

了解完轴流压气机后，我们再来认识下离心压气机。

离心式压气机主要由进口、工作叶轮、扩压器、蜗壳四部分组成。

其气体流动方向是沿着径向流动的。

压气机的进口段总是设计成圆柱形或者圆锥收缩段，其作用是引导气流更好地进入工作叶轮，以减少进口处的流动损失和扰流强度。

工作叶轮由轮盘及其上的叶片组成。

用螺母将其紧固在涡轮轴上，气流沿着轮盘、外壳和叶片组成的通道流动。

并在这一过程中，将从旋转叶轮吸收的机械功转变为压力(势能)及速度(动能)。

工作叶轮是压气机最主要的零件，它的好坏对级的特性起了决定性的影响。

对它的要求主要是，效率要高，强度要好，因为只有叶轮强度好，压气机才能达到较高的压缩压力。

扩压器，空气从工作轮出来后，具有很高的气流速度，即具有很大的动能。

这部分动能约占叶轮加功量的25%-50%。

因此，为有效地利用这一部分的能量，必须把这部分的动能转变为压力能，以达到提高空气压力的目的。

为此，在叶轮后装有扩压器，把气流的动能转变成压力能。

扩压器一般可分为无叶扩压器和叶片扩压器两种，对车用涡轮增压器来说，一般使用无叶扩压器。

无叶扩压器由两片光滑的圆盘壁构成，盘壁之间可以互相平行，也可成一定锥角。

涡壳的主要作用是收集从扩压器出来的空气，并将空气送到燃烧室或其它设备中去。

由进口段、工作叶轮、扩压器、及集气器这几部分可完成一个压缩空气的完整过程，它们构成了一级压气机。

如果多级串联起来工作，则称为多级压气机。

空气在叶轮内流动时，首先对于进口处，以叶轮旋转轴为中心轴，作圆柱面切割叶轮，然后展开，以得到如下图1—3所示的叶轮进口处的速度三角形。

轴向进气时，可认为轴向速度ca1沿半径方向不变，叶轮进口处在不同半径上的圆周速度u1是不相等的，因而流入叶轮的相对速度w1的方向和大小随半径而改变。

图1—3叶轮进口处的速度三角形
通过以上分析，我们可以得到：随着半径的增加，速度u1增加，因而相对速度w1也增加，但气流的进口角β1却减少。

所以，根据这样的变化规律，导风轮的进口安装角，应设计成外径处角度较小，而内径处角度较大。

如果导风轮进口处的外径过大，就会引起该处的相对速度w1过大，使得相对马赫数Mw1接近或大于1，这将在气流中产生冲击波，而使波阻损失增加。

因为马赫数Mw1对叶轮的效率和流量范围有较大的影响，故应限制相对速度w1值，一般应使其小于0.8-0.9。

工作叶轮是压气机的主要工作元件。

它将外界输入的机械功传递给空气而成为气体的状态能和动能，使流过叶轮空气的温度、压力与速度均有显著的提高。

按造型的不同，工作叶轮可区分为开式、半开式及闭式三种。

他们的特点分别为：
开式工作叶轮：摩擦损失和流动阻力很大，叶轮效率最低。

易产生振动，不宜在高转速下工作。

半开式工作叶轮：摩擦损失和流动阻力较开式的小，效率较高。

有一定的刚度和强度，允许在较高的圆周速度下工作。

闭式工作叶轮：其摩擦损失及流动阻力均最小，效率最高。

由于结构复杂、笨重，以及轮盖在旋转时会对叶片产生巨大的应力，其强度较差，不宜于在高速旋转工况下使用。

但是俄罗斯坦克燃气轮机采用的是径流闭式叶轮。

在出口处，其速度三角形如图1—4所示。

绝对速度c2是相对速度w2与牵连速度u2矢量之和，牵连速度就是叶轮外圆周的切线速度。

如果叶轮的叶片数为无限多，并且叶片无限薄，则w2在叶轮出口处就沿径向流出。

由于叶片数目是有限的，在气体的质量惯性作用下，就使得w2产生逆旋转方向的偏转。

图1—4叶轮出口处速度三角形
空气在叶轮中流动时，其损失包括以下几项：
1.空气进入叶轮时的撞击损失。

2.空气在通道内的转弯损失。

3.空气在通道内的摩擦损失(包括涡流损失在内)。

4.空气在叶轮与壳体间的漏气损失。

5.空气与叶轮背面之间的摩擦损失。

另外离心压气机与轴流压气机各有自己的特点。

对于离心式压气机，它的结构简单，工作可靠，单级增压比高，噪声小，性能比较稳定，但是其效率较低，迎风面积大，受结构限制，不适合做成多级的。

而对于轴流压气机，容易实现多级压缩，且效率高，质量流量大，但它的效率良好的运转范围狭窄，制造费用高，重量大。

作为压气机而言，在一定转速下，当压气机的增压比增大到某一数值时，两者就会进入不稳定的工作状态，很容易发生喘振，使整个系统产生低频大振幅的气流轴向脉动，甚至会发生瞬间气流倒流的现象。

压气机喘振可能导致叶片断裂、结构损坏、燃烧室超温和发动机熄火停车。

为避免发生喘振可以采取下列措施：
①按转速调节某几级整流叶片的安装角，使流入的气流具有合适的迎角，避免气流分离而造成喘振。

②将多级压气机分成2个不同转速的转子,分别由高、低压涡轮驱动。

有些发动机采用3转子结构。

③多级轴流式压气机从中间级放气，以增加前面各级的空气流量，避免气流的迎角过大，产生分离，出现喘振。

④多级轴流式压气机在第一级压气机的机匣上开槽，使第一级工作轮叶片尖端部分的气流通过机匣上的槽道产生回流，减小气流的迎角，这种方法称为机匣处理。

通过以上的知识，我们可以知道，在进行气动设计时，基本要求是尺寸小、重量轻、性能好、安全可靠,在压气机气动设计过程中,上述各要求可归结为：在保证压气机安全可靠工作的前提下应有足够的失速裕度,使压气机具有高的级加功量,高的流通能力和高效率。

然而,在实现上述要求的过程中是存在着矛盾的,例如,高的级加功量和高的流通能力会导致损失增加,因而效率下降;又如,级负荷高的压气机特性往往比较陡峭或失速裕度偏小。

解决上述矛盾的办法只有两条:其一是研制出新的高性能压气机(高增压比、高效率、高失速裕度),争取在设计中有所突破。

其二是必须根据具体设计任务、设计思想,正确分析和处理上述矛盾,找出设计中的主要矛盾,满足设计的主要要求,而对于一些较次要的要求,作出必要的、可以接受的牺牲。

对于压气机在其他领域的运用，我想在未来三栖车辆上压气机是不可缺少的部件。

同时，作为科研人员的话，我们不应该把思维局限于已有的压气机结构，应该加大对对新式结构的压气机开发。