平面叶栅特性7
叶栅理论 PPT
第二节 翼型受力及等价平板翼栅
一、栅中流动
oxy
讨 论 叶 栅 流 动 时 选 用 随 叶 片 一 起 流 动 的 坐 标 系 ， 设 栅 前 无 穷 远 处 来 流 速 度 为 w1(w1x, w1y) ，栅 后 无 穷 远 处 的 流 速 w 2(w 2x, w 2y) 。由 于 叶 栅 对 流 场 的 作 用，通常栅前、栅后的速度大小和方向都会发生变化，使二者不相等。
2． 空 间 叶 栅 流 经 叶 栅 流 道 的 流 动 是 空 间 流 动 。如 ：混 流 式 水 轮 机 、水 泵 、风 机 的 叶 轮 。
3． 直 列 叶 栅 流面上列线成一无限长直线，为直列叶栅，如：轴流式叶轮叶栅。 4． 环 列 叶 栅 流面上列线为圆周线，为环列叶栅。如：离心式叶轮叶栅为环列叶栅。 5． 不 动 叶 栅 叶栅本身不运动为不动叶栅。如：导叶。 6． 运 动 叶 栅 叶栅本身运动，为运动叶栅。又可以分为移动和转动叶栅。
（ 3）
z1
p1 g
w
2 1
2g
z2
p2 g
w
2 2
2g
（ 4）
z1
z2，
w
2 1
w
2 1x
w
2 1y
，
w
2 2
w
2 2
x
w
2 2
y
，
又
w1x
w 2x ，
代
入
伯
努
利
方
程
，
得：
p1
p2
1 2
(
w
2 2y
w
2 1y
)
（ 5）
Rx,Ry可 表 示 为 ：
R
x
《平面叶栅特性》课件
稳定性
叶栅应能在各种工况下保持稳定运行，避免 振动和失速。
可靠性
叶栅应具有长寿命和低维护需求，以确保连 续和高效率的运行。
设计方法与流程
需求分析
明确叶栅的应用需求，如功率、效率、尺寸和成 本等。
结构设计
根据需求和水动力学分析结果，设计叶栅的结构 ，包括叶片形状、间距和排列方式等。
ABCD
水动力学分析
通过数值模拟和实验验证，确定了叶型角 度、叶栅间距、叶栅厚度等关键参数的最 佳值。
采用先进的加工工艺
考虑冷却和防氧化措施
采用激光切割和精密磨削相结合的方法， 确保叶型精度和表面光洁度。
在叶栅设计过程中，预留了冷却通道并采 用了抗氧化涂层，以提高叶栅的使用寿命 。
设计结果与效果
01
气动性能
经过测试，该型平面叶栅具有优 异的气动性能，显著提高了发动
平面叶栅的效率受到多种因素的影响，如叶片形 状、角度、间距和流体性质等。
提高效率
通过优化设计或改进制造工艺，可以提高平面叶 栅的工作效率。
03 平面叶栅的设计与优化
设计原则与目标
高效性
叶栅设计应追求高效率，以最小的损失产生 最大的功率。
适应性
叶栅应能适应不同的流体条件，包括温度、 压力和流速的变化。
数值模拟
使用计算流体动力学（CFD）等工具 进行数值模拟，以预测叶栅的性能并 指导优化过程。
04 平面叶栅的性能测试与评 估
测试方法与设备
测试方法
采用风洞实验和数值模拟相结合的方 法，对平面叶栅的性能进行测试和评 估。
测试设备
风洞实验中需要使用到风洞、压力传 感器、热线风速仪等设备，数值模拟 中需要使用到计算流体动力学（CFD ）软件。
叶栅几何尺寸的确定
叶栅额线方向的夹角;
叶栅相对节距 t ; b
叶栅稠度 b t
第一节 概 述
动、静叶栅几何参数
前额线 前缘点
汽流进口角几何进口角
叶片安装角
后缘点后额线
中弧线
几何出口角 汽流出口角
3、气流参数
进出口角度：1、1、2、2
冲角：i 1k 1
1 1k，负冲角
1 1k，正冲角
1 1k，零冲角
出口角：（2
p1，喷嘴叶栅和动叶栅尺寸。
喷嘴 n
p1 p0*
，动叶
b
p2 p1*
亚音速：1）当 n或 b
时，采用渐缩喷嘴，
cr
确定喷嘴出口截面尺寸An；一般M 0.8
跨音速b
时，仍采用渐缩喷嘴，
cr
需计算An、；一般0.8 M 1.4
超音速：3）n或b 0.3时，采用缩放喷嘴，
叶型最大厚度dmax：叶型诸内切圆的最大值； 进出口缘厚度d1、d2:组成进出口圆直径； 相对出口缘厚度：d2/o; o为喉口最小截面。
2、叶栅几何参数
叶栅节距t:相邻叶型对应点之间的距离；
安装角s : 弦长方向与叶栅额线之间的夹角；
轴向宽度B：弦长在透平轴线上的投影；
几何构造角1g、2
：中弧线在两端点进出口缘的切线和
G 0.648
p0*
RT0*
zntnln sin 1
zn (ln )cr (an )cr
tan an acr
2 2L
扩张角 60 ~ 120
缩放喷嘴示意图
五、动叶栅尺寸的确定
Ab
G
b 2t w2t
edblb sin
2
lb
Ab
压气机思考题及答案
第一章1.压气机的分类方法有哪些？答:工质的流动方向：轴流式，离心式，斜流式，混合式工质压强提高的程度：风扇，通风机，鼓风机，压缩机工质的性质：气体：压气机，液体，泵2，离心式压气机和轴流式压气机各自的优缺点？,轴流式：优点：1，迎风面积小；2，适合于多级结构；3，高压比时效率高；4，流通能力强；5，在设计和研究方法上，可以采用叶栅理论。
缺点：叶片型线复杂，制造工艺要求高，以及稳定工况区较窄、在定转速下流量调节范围小等方面则是明显不及离心式压缩机。
离心式：优点：1，单级增压比高；2，结构简单、制造方便；3，叶片沾污时，性能下降小；4.，轴向长度小；5，稳定工作范围大。
缺点：3简述压气机的工作原理？工作叶片 扩张通道 对气流做工Lu 回收部分动能气流工作轮压强增加动能上升整流器压强增加流向调整第二章1、 什么是轴流压气机的基元级？为什么要提出基元级概念？答：○1基元级：用两个与压气机同轴并且半径差∆r →0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级的微元单位—基元级。
○2在基元级上，可忽略参数在半径方向的变化，故利用基元级将实际压气机内复杂三元流动简化为二维模型——降维，便于做研究，故提出了基元级 。
2、压气机基元级增压比和等熵效率如何定义？答：基元级增压比：级静叶姗出口气压和工作轮进口气压之比。
等商效率：气体等熵压缩功与实际耗用功之比。
3、何为压气机基元级的理论功？计算方法有哪些？答：单位质量流体获得的功Lu 即为基元级的理论功。
形式：○1 ○22222221221c c w w Lu -+-=○3*1*2h h Lu -= ○4S f R f L L C C dp Lu ,,2123312+++-+=⎰ρ4、试画出压缩过程的温熵图，并指出理论功、多变压缩功、等熵压缩功和热阻功、摩擦损失功所对应的面积,热阻功是怎么引起的？答理论功Lu=A bd3*fb ；摩擦损失功=A cd3*1*c ；多变滞止压缩功=A bc1*3*fb ；等熵滞止压缩功=A bc3*ifb ；热阻功=A 1*3*3*i ；热阻功引起的原因：○1尾迹损失，上下表面附面层在尾缘回合后形成的涡流，由于粘性作用，旋涡运动消耗动能转变我热能损失；○2尾迹和主流区的掺混，同时由于)(12u u W W u Lu -=粘性作用，使动能转变为热能损失 。
平面叶栅特性7
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
三、平面叶栅中的气体流动损失
上述分析可知，平面叶栅的流动损失由下列各项组成： （1）附面层内气体的摩擦损失。 （2）在逆压力梯度作用下的附面层分离损失，如图（b）所 示。特别是激波-附面层干扰会加重分离，导致分离损失急 剧增加。 （3）尾迹损失，即叶型上、下表面附面层在后缘汇合而形 成涡流区导致的流动损失，如图（b）所示。 （4）尾迹和主流区的掺混损失，或称尾迹后气流的调匀损 失。由气体动力学可知，速度不等的气流掺合时会发生动量 交换并因此造成损失。 （5）气流流过激波而导致的总压下降。叶栅中出现超声速 区就必定存在激波，图（c）所示为叶栅流中的激波。
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
2、中弧线 （1）圆弧中弧线
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
2、椭圆中弧线
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
二、叶栅中决定叶型位置的几何参数 把叶型排成叶栅时，也有一定的要求。决定叶栅的 几何参数有以下几个：
叶轮机械原理
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
三、平面叶栅的实验研究过程中测量的参数
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
四、平面叶栅的实验研究过程中数据的整理
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
五、平面叶栅的实验 研究得到的结果 叶栅气动性能曲线 1、 2、
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
平面叶栅攻角特性
叶轮机械原理
平面叶栅试验研究
q 35 , * 最大
2 对弯曲角小的叶型在正冲角下可以得到额定工况，而对弯曲角大的叶型，则 在负冲角下得到额定工况。
3 当冲角在一定范围内，气流转折角与叶型弯曲角无关 * f (t , 2*)
5 i 5
4 当 19 q 3，6 气流转折角有较大值，阻力系数较小，叶栅性能好
2A 2 const
气流无脱离，叶型损失较小
§3 平面叶栅正常特性曲线
3 当冲角继续增大， 与 的cy 增加缓慢， 而 增cxp大加快。把 达cx到p
相当于 的c二xmin倍时的冲角称为临界冲角或失速冲角 ，这icr 时的工况称 为叶栅失速工况。
4 当冲角有较大负值时，阻力系数也明显增加，这是由于叶腹后端开
§2 平面叶栅吹风试验
二、参数选取
叶栅性能主要指标：叶栅中能量转化能力大小与效率高低；即叶栅 中气流压力的提高与损失的大小
或 Cy 来反映叶栅中压力提高的程度
Cy
2
t b
sin
m (ctg1
ctg2 ) cxctgm
将升力系数与阻力系数用气流角度及叶栅相对栅距联系起来
§2 平面叶栅吹风试验
原始叶型选定后，c，e，r1，r2以及厚度分布规律确定了
f a 由叶型弯曲角和叶型中线规律确定
常用的5种亚音速原始翼型 1 C4翼型，英国叶型系列，普遍，e＝30％ 2 NACA65－010翼型，美国航天局，e＝40％，高亚音速性能较好 3 BC－6翼型，e＝40％ 4 GTy－42翼型，e＝30％ 5 A40翼型，e＝40％
不同的级，l/b选择不同。对＝1.0的级，动叶中能量转化大，叶片所 收弯曲应力大，l/b要选小一些。对＝0.5的级，负荷在动静叶中均匀分 配，动叶的l/b可取的大一些。
2.4级-叶栅-复件讲解
p1
2
1t
c1t 叶栅后气流的静压、理想密度和理想速度
1t c12t
0 ( p0 p1 ) 伯努利方程
结论 叶栅汽道内的压力分布都是不均匀的； 在垂直于汽流方向的任一截面上，叶栅内弧的压力总是 大于背弧的压力； 汽道内沿背弧和内弧的压力变化总趋势是由进口压力降 到出口压力，但压降并不均匀，进口段下降较快，而后放 慢；
存在最佳节距 t opt 使叶型损失最小 冲动式0.55-0.70 的主要因素 1.进汽角的影响：
反动式叶栅： α 0在最佳值90°±30°变化时， 压力曲线变化不大，叶型损失系 数ξ p变化也不大。α 0减小方向 的影响大于增大方向 α 0减小到45°时，背面进口段产 生明显扩压段， ξ p显著增加。 说明减小汽流进口角（正冲角） 造成的叶型损失比负冲角更严重。 冲动式叶栅： 与反动式叶栅相似，但对进汽角 变化更敏感。进汽角14°时，叶型 背面进口段产生明显扩压段，附面 层严重增厚脱离，ξ p增加
四、叶栅的汽动特性
在蒸汽热能转变为轮周功的过程中:
喷嘴损失 动叶损失 余速损失
本节主要讨论: 流动损失，即讨论喷嘴损失和动叶损失产 生的物理原因及影响因素 叶型损失ξ p (汽流绕流平面叶栅时产 生的能量损失) 叶栅的能量损失 端部损失ξ e(汽流流过叶顶及叶根边界 区域时产生的能量损失) 大量试验表明: 损失的主要机理: 通道内附面层厚度与发展.
边界层脱离点
无边界层脱离
边界层脱离
3.尾迹损失 因出口边具有一定厚度 出口边厚度Δ，尾迹损失和Δ/a 成正比（ a 汽道喉部截面宽度） 应尽量减小出口边厚度，减小尾迹损失。 4.冲波损失 某些地方超音速流动—>冲波—> 扩压段—>叶型边界层增厚
第一章 汽轮机级的工作原理-第四节 叶栅的气动特性
第一章汽轮机级的工作原理-第四节叶栅的气动特性第四节叶栅的气动特性在蒸汽热能转变为轮周功的过程中，存在着喷嘴损失、动叶损失和余速损失。
前面已讨论了余速损失对轮周效率的影响，本节主要讨论流动损失，即讨论喷嘴损失和动叶损失产生的物理原因及影响因素，从而指明减少损失提高流动效率的途径。
汽轮机叶栅的气动特性一般是在风洞里用平面叶栅由空气吹风试验获得的。
叶栅吹风试验是以二元流动力基础并考虑了三元流动的特征进行的。
经验证明，实验数据用于叶栅的设计计算和分析能够获得满意的结果。
叶栅试验通常是在各项参数变动相当大的条件下进行的，因此所得的结果不但是叶栅的设计工况特性，而且包括了其变工况特性。
从试验结果可以看到叶栅中各项损失在不同工况下的变化趋势和定量关系，这有助于分析级在变工况下的工作特性。
大量试验表明，叶栅的能量损失是由叶型损失和端部损失所组成的。
叶栅的几何参数和汽流参数对能量损失的大小起着决定性的作用。
一、叶栅的几何参数和汽流参数汽轮机叶栅一般分为冲动式叶栅和反动式叶栅两大类：反动式叶栅如图1．4．11(a)所示，它包括喷嘴叶栅和反动度较大的动叶栅。
叶栅前后有静压差．汽道宽度由进口到出口显著缩小，故汽流通过时除流动方向改变外还有加速。
冲动式叶栅如图1．4．1(b)所示，它包括冲动式动叶栅和导向叶栅。
叶栅前后静压力近似相等，汽流通过时主要改变流动方向，基本不加速。
但实用中为了减少流动损失，采用一定的反动度，使汽道略有收缩。
?2比?1略小2°一4°，每类叶栅按喷嘴出口、动叶进口的马赫数Ma可分为亚音速(Ma＜0.8)、跨音速(0.8＜Ma＜1.2)和超音速(Ma＞1.2)叶栅。
表征叶栅的主要几何参数(图1．4．1)有：平均直径dm、叶片高度l、叶栅节距t、栅宽度B、叶栅通道进口宽度a和出口宽度a1与a2、叶型弦长b和出口边厚度?。
由于在同样的进出口参数条件下，几何相似的叶栅中汽流保持近似相同的特性，所以决定叶栅几何形状的参数都可以用一些无因次的相对值来表面相对节距t＝t／b；相对高度l＝l／b；相对长度(径高比) ?＝d/l。
叶轮机实验报告(4项)
叶轮机械原理教学实验指导书北京航空航天大学能源与动力工程学院流体机械系二O一六年十二月1实验一 平面亚音扩压叶栅实验1.1实验目的1)通过实验使学生熟悉平面叶栅实验设备和实验方法； 2)作出叶栅攻角特性和叶片表面压力分布曲线； 3)了解平面叶栅实验在压气机气动设计中的作用和地位。
1.2实验内容1.2.1平面叶栅的攻角特性气流通过平面扩压叶栅后，其方向要发生转折，气流转折角为∆β。
气流通过叶栅损失的大小可用损失系数ω来表示。
∆β和ω随攻角i 和来流马赫数M 1而变化，它们都是i 和M 1的函数。
低速叶栅吹风实验不考虑M 1对叶栅性能的影响，只讨论∆β和ω随攻角i 的变化。
叶栅的攻角特性如图1示。
由图1可以看出，当i 增加时, ∆β开始直线上升，ω几乎不变。
到某一攻角， ∆β达到最大值。
攻角再提高，∆β下降很快，ω急剧增加，这时叶背气流发生严重分离。
在很大的负攻角情况下，气流在叶盆分离。
∆β的大小反映了叶栅的功增压能力,而ω的大小则反映了叶栅有效增压的程度,ω表征气流流经平面叶栅发生的机械能损失，叶栅的效率和ω有直接关系。
压气机设计取max 8.0ββ∆=∆为叶栅名义工作点，把不同几何参数叶栅的名义工作点汇集在一起，即得到平面叶栅的额定特性线，这是压气机气动设计的依据。
1.2.2叶片表面压力分布叶片表面压力分布以无因次压力系数P 表示1*11P P P P P --=式中*1P 、1P 分别为叶栅进口的总压和静压，P 为叶片上任一点的静压。
P为正值说图 1.1 平面叶栅的攻角特性2明叶片上某点的当地速度低于叶栅进口速度，P 为负值表明当地速度大于叶栅进口速度。
典型的叶片表面压力分布曲线如图2所示，横坐标为弦长百分比。
进行叶片表面压力分布实验时，只测量一个攻角(例如5︒攻角)的叶片表面压力分布。
同时，还可以改变几个攻角(-10︒,10︒,18︒)，观察叶片表面压力分布变化情况，特别要注意大攻角时，叶片表面出现严重分离(失速)现象。
叶栅试验技术综述
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３８．凌代军,代秋林,朱榕川,等 ．叶栅试验技术综述[
第四章叶栅理论
第四章 叶栅理论 §4—1 概 论把按照一定规律排列起来的相同机翼之系列，叫做翼栅。
翼栅问题是单个机翼问题的推广。
翼栅理论在工程上得到广泛应用，特别是在叶片式流体机械方面。
因此，翼栅常被称为叶栅，组成它的机翼也就叫做叶片了。
一、叶栅几何参数表征一个叶栅的几何特征的参数，叫做叶栅的几何参数。
叶栅的几何参数主要有下列几个：(一)列线栅中诸叶片上各相应点的联结线，称为叶栅的列线。
通常都以叶片前后缘点的联线表示之。
实际上所遇到的列线，其形状有两种：一为无限长直线；另(见图4一1)。
(二)栅轴垂直于列线的直线叫栅轴。
但对圆周列线的叶栅，把旋转轴定义为其栅轴。
有些文献中，把上述列线叫做栅轴，而不再引用列线这一名词。
(三)叶型叶片与过列线的流面交截出来的剖面形，叫叶栅的叶型。
其一几何参数见翼型。
图4—1直列叶栅与环列叶栅(四)栅距列线上二相邻的相应点间的线段长度，叫叶栅的栅距或栅隔，用字母t 记之。
对圆列线叶栅，不引用此参数，而用角距nπ2(n ——叶片数)代替它。
(五)安放角叶型的弦与列线间之夹角e β，称为叶型在叶栅中之安放角。
叶型中线在前、后缘之切线与列线之夹角'e β、''e β分别叫作叶型的进、出口安放角。
对圆列线叶栅，只引用后二个参数。
（六）疏密度栅中叶型弦长l 与栅距t 之比值t l /，叫做叶栅的疏密度。
而把其倒数l t /，称为相对栅距。
圆列线叶栅不引用此参数。
二、叶栅分类在工程实际当中所遇到叶栅多种多样，为便于分析和讨论问题，可以给这些叶型加以分 类。
但从不同角度又可得出不同的分类，这里仅就水力机械中常用到的分类法，介绍两种。
(一)根据绕流流面分类叶栅1．平面叶栅如能将绕叶栅液流分成若干等厚度流层，这些流层本身为平面或这些流层虽为曲而，但若沿流线切开后，能铺展成一平面者，称这类叶栅为平面叶栅。
绕这类叶栅的流动为平面流动。
例如水轮机的导叶叶栅，低比速水轮机和水泵的转轮叶栅等，绕流这些叶栅的流面本身就是平面；而轴流式水轮机、水泵和风机等转轮叶栅之流面，虽为圆柱面，但顺流线切开后可展成平面。
06轴流压气机平面叶栅
图示
②.雷若数 Re
当 Re 4 105 时，流动常附着于叶片的表面
当 Re 2 105 时，叶片吸力面将出现分离气泡的局部分离流动层
当 Re 1105 时，吸力面出现层流分离层，损失大大增加
上述情况还取决于叶型的形状 ③.紊流度影响
低 Re 时，紊流度Tu 增大，使损失减小 高 Re 时，增大紊流度Tu 无效，由于能量损失，导致损失变大
几何出口角 2k ：中线在后缘点 B 处的切线与额线的夹角
三.叶栅气动参数
2k 2
进气角 1 出气角 2 攻角 i 1k 1 落后角 2k 2
气流转折角 2 1 i
总压损失系数：
p1* p2*
1 2
W12
（ 总压恢复系数）
对于不可压流体，动压等于总压与静压之差，故有：
D dW Re n [(1 W2 ) c W d
W dx
(1 a)b W1 W1
为附面层动量的厚度 W 为附面层外的主流区速度 x 为沿流动方向的距离
Re 为动量厚度的雷若数 n 为常数（负值）
a 为进口边至吸力面最大速度点之间沿弦长方向的距离与弦长 b 的比值
c 和 d 是常数，随叶型、进气角和进口马赫数而变化
－Tu （%）图
w －Tu （%）图
④.密流比影响
轴向密流比： AVDR A1 2w2 sin 2 A2 1w1 sin 1
主要影响静压分布与叶栅的总压损失
经验公式： Cp Cp,2Dk''(AVR 1)
Cp ( p p1) /(0.5C12) 为压力系数， k '' 为常数
⑥.计算叶栅的损失系数 w 1 1 (M a1)
3.平面叶栅正常特性曲线及影响因素
叶栅几何尺寸的确定
c12t c12
1
1
2
1
根据热力学第一定律：
dq
dh
dp
' n
dh
dp
(1 n' )dh
(1 n' )
k
k d( 1
p)
多变过程指数n与速度系数的关系(续）：
dp
(1 n' )dh
(1
' n
)
k d( k 1
p)
(k
1)
dp
(1
因为：☆泵浦效应
p
0.07(1
lb db
)2( u ca
)2
☆射汽抽汽效应ej=0.01~0.02
☆叶轮反动度
d
1
1
0.25(
A4 Ap'
)2
三、 冲动级内反动度的选择(续)
r选定后，采用等截面直叶片级反动度沿叶高的变化规律，
cu r 常数规律：
平均反动度m
1
[(1
r
出口：An
Gnv1t
nc1t
znanln
喉部：( An )cr
G 0.648
p0*
RT0*
zntnln sin 1
zn (ln )cr (an )cr
tan an acr
2 2L
扩张角 60 ~ 120
缩放喷嘴示意图
五、动叶栅尺寸的确定
Ab
平面叶栅特性的实验分析
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｓｔ ｅ ｉ ｇ ｎ ｒ ｌ ｅ ｒ ｍ ｅｅ ｐ ｒｍ ｅ ｔｒ ｓ ｌ ｏ ｈ ｌｎ ｌｄｎ ｉｈ ｉ ｄ ｆｎｔ— ｉ ｈ ｓｓ ｅ ｅａｉ ｓｆｏ ｔ ｘ ｅｉ ｎ ｅ ｕ ｔ ｆｔ ｅｐ ａ ｅｂ ａ ｉ ｇｗｈ ｃ ｓ ｅｉｉｅ ｚ ｈ ｌ ｅ ｍｅ ｒ ａ ａ ｅｅ ， ｎ ｈ ｉ ｏ ｅ ａ ｅ ｎ ｌ ｓｓ ｎ ａ ｈ ｔｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉ ｆｔ ｅｐａ ｅ ｙｇ ｏ ｔｙ ｐ ｒ ｍ ｔ ｒ ａ ｄ ｔ ｅａｒ ｐ ｒ ｔｄ ａ ａｙ ｉ ，ａ ｄ ｓ ｙ ｔ ａ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃｏ ｈ ｌｎ
ｃ ｍ ｐ ｅ ｓ ｒａ ｄ ｉｓａ ｎ ｒ ｌ ｏ ｒ ｓｏ ｎ ｔ ｂ ｏ ｍａ ｒ ｒ ｂ ｅ ｓ ＇ ｗｏ ｋ ｐ ｏ ｌｍ ． Ｋｅｗｏ ｄ ：ｈ ｃ ｎ ｌ；ａｒｌ ｗ－ｕ ｎｎ ｎ ｌ ；ｌ ｓ ｏ ｆｉｉｎ ；ｆ ｎ － ａ ｅｆａ ｕ ｅ ｙ ｒ ｓ ｓ ｏ ｋ ａ ｇ ｅ ｉｆ ｏ ｔ ｒ ｉ ｇ ａ ｇ ｅ ｏ ｓｃ ｅ ｆ ｅ ｔ ｌ ｅｖ ｎ ｅ ｔ ｒ ｃ ａ
栅 时相对 叶栅 叶 片进 口角 的方 向见 图 １ 必 然 发 生 ）
１ 引言
为 了便 于分 析 问题 ， 圆柱 面上 的环形 叶栅 展 把 开成 为平 面叶栅 。通常 就用 平面 叶栅 来研究 航 空发 动机压 缩器 内的空气 流 动情形 和增 压 原理 。 对 于 一个 平 面 叶 栅来 说 ， 重要 的是 显示 出对 于 气流加 功增压 的能力 和损 失 的情况 。工 作 叶轮对 气 流所作 功 ｚ 一 硼 在 圆 周 速 度 Ｕ不 变 的情 况 下 ， ， ｚ 与气流在 周 向 的扭 速 Ａ ｗ 成 正 比 。由气 流 速 度 三 角形可 知 ， 轴 向分 速 度 不变 ， 扭 速 △ 若 则 硼 与 气 流
平面叶栅试验研究
§2 平面叶栅吹风试验
算得参数
i 1A 1 2A 2
2 1
k
p* p
1/
1
k k
1 1
2
k
1
w1 1acr
m
ctg 1
ctg 1
ctg2
2
acr
k
2
1
kRT1*
w2 2acr
wm
w1
w2 2
§2 平面叶栅吹风试验
最终所需参数
2 1
Cx
2
b t
sin
m
p1* p2*
m wm2
Cy
2t b
sin
m (ctg1
ctg2 ) cxctgm
§3 平面叶栅正常特性曲线
平面叶栅正常性能曲线：叶栅的 , cy , cx与冲角变
化的关系曲线
特点：
1 反映一定的叶栅在不同工况下的性能
2 一定冲角范围内， 与 i 几乎成正比
例增加
(15 5 )
2 1 2 1A i
动叶栅伯努利方程
hr
2 dp w12 w22
1
2
2*
m
Cx
2
b t
sin
m
p1* p2*
m wm2
表示叶栅中损失
§2 平面叶栅吹风试验
试验条件及测量参数
叶型及叶栅几何参数全部已知
叶型：q, b, a, c, e, f, 叶栅：1A, 2A, b, t
试验时应测参数： 栅前：静压p1,总压p1*，进气角1, 总温T1* 栅后：静压p2, 总压p2*,出气角2
始出现脱离
5 叶栅扩压能力大而损失小工况， 0.8max 额定工况，以*符号表示
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叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
4、最大相对厚度及其相对位置e： 叶型的最大厚度用cmax表示，它与前缘的距离为e，应 该用相对值来表示它们的特征。 5、叶型前缘角X1和后缘角X2： 中线在前缘点A和后缘点B处的切线与弦的夹角。 6、叶型弯角： 弯角等于前缘角与后缘角之和，它表示叶型弯曲的程 度，值越大，则叶型弯曲越厉害。 7、叶型型面坐标：叶型的型面通常用坐标来表示。亚声基 元级的叶型坐标通常是选定的原始叶型（由风洞吹风试 验获得的最佳对称叶型厚度沿弦长的分布）覆盖在确定 的中线上获得的。叶型的凸面又称吸力面或叶背，叶型 的凹面又称压力面或叶盆。
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
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——轴流压气机级的流动
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——轴流压气机级的流动
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——轴流压气机级的流动
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——轴流压气机级的流动
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——轴流压气机级的流动
通道涡 叶栅实验及应用
二、平面叶栅中的气体流动过程
为了运用上述几何参数合理地设计出叶栅通道，以保 证预期的速度三角形的实现，就需要了解平面叶栅中 气流流动的物理图画，以便能够进一步分析几何参数 对于流动过程的影响。 现在以图所示的平面叶栅为例，来研究气体流过叶栅 的物理图画。设此叶栅前方来流马赫数Ma1为0.8左右， 出口马赫数Ma2为0.6左右，来流平行中弧线前缘处的 切线，大体上近似于设计状况的气流方向。
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
1、叶型安装角βy： 表示叶型在叶栅中的安装位置。它是叶型的弦与 额线的夹角，额线就是联结所有前缘A点的直线。 2、叶距（或称栅距）t： 两相邻叶型对应点之间沿额线方向的距离。 在叶型几何参数已经确定的情况下，有了叶型安 装角βy和栅距t则叶栅几何参数便完全确定了。 但是，在实践应用中，下面两个参数应用更直接、 更方便，因而应用更多。
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平面叶栅中的叶型损失
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出口平均气流角
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由于叶盆的形状是凹面， 对应于所列举的来流马赫数 和方向条件下，叶盆上没有 产生局部超声速流动。右图 绘出了该叶栅叶型表面的Ma 数分布图。由图可见，叶背 的速度高，叶盆的速度低， 因此叶背上的静压要比叶盆 上的低。所以，有时也把叶 背叫做吸力面，把叶盆叫做 压力面。
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——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
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1、 中弧线： 叶型内切圆中心的联线为中弧线，简称中线。 2、弦长b： 中弧线与叶型型线的前后缘分别相交于A和B。A和B两点 连线叫弦，弦的长度以b表示，简称弦长。 3、最大挠度（fmax）及其相对位置： 中线到弦的最大距离称为中弧线的最大挠度，此点距前 缘的距离为a。
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——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
三、平面叶栅的实验研究过程中测量的参数
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四、平面叶栅的实验研究过程中数据的整理
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五、平面叶栅的实验 研究得到的结果 叶栅气动性能曲线 1、 2、
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——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
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三、平面叶栅中的气体流动损失
上述分析可知，平面叶栅的流动损失由下列各项组成： （1）附面层内气体的摩擦损失。 （2）在逆压力梯度作用下的附面层分离损失，如图（b）所 示。特别是激波-附面层干扰会加重分离，导致分离损失急 剧增加。 （3）尾迹损失，即叶型上、下表面附面层在后缘汇合而形 成涡流区导致的流动损失，如图（b）所示。 （4）尾迹和主流区的掺混损失，或称尾迹后气流的调匀损 失。由气体动力学可知，速度不等的气流掺合时会发生动量 交换并因此造成损失。 （5）气流流过激波而导致的总压下降。叶栅中出现超声速 区就必定存在激波，图（c）所示为叶栅流中的激波。
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超音速叶栅流动特征
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2、中弧线 （1）圆弧中弧线
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2、椭圆中弧线
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二、叶栅中决定叶型位置的几何参数 把叶型排成叶栅时，也有一定的要求。决定叶栅的 几何参数有以下几个：
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一、平面叶栅的实验介绍 下图为实验台简图
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平面叶栅实验台
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二、平面叶栅的实验过程介绍
在进行平面叶栅试验前，将叶片按照所要求的稠度和 安装角固定在圆盘上，转动叶栅圆盘可以改变来流和 叶栅的相对位置，从而改变攻角，控制气源压气机的 出口总压可以控制来流马赫数Ma1的变化。 对应每一个来流条件，测出并记录栅前和栅后的气动 参数，利用上面讲述的公式算出叶栅性能参数。改变 来流条件并作测量和计算，便可获得叶栅的气动性能 曲线 在低来流马赫数条件下（Ma1<0.4~0.6），叶栅性能只 取决于攻角，被称为平面叶栅的攻角特性或称为平面 叶栅的正常特性。
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我们已经对压气机基元级的工作原理作了分析，得 到了基元级速度三角形。接下来的问题是如何设计正 确的叶栅几何形状，使之在尽可能小的损失的情况下， 实现气流的设计流动过程，得到性能良好的基元级。 本章的主要内容包括： 1、叶型和平面叶栅的几何参数 2、平面叶栅的气动参数 3、平面叶栅的实验研究 4、叶栅效率及受力分析
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叶栅中流动的物理图画
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如图所示，叶型前缘是一个半径为r1的小圆圆周的一部分，当气 流流到前缘处就分成两段，一股流向叶背，一股流向叶盆，于是 在前缘圆周上就出现了一个分叉点A′。在A′点处的气流不可能 有两个速度，于是A′点的速度应等于零，把A′点称为前驻点。 前驻点A′不一定和前缘点A相重合，而且A′点随来流情况而变， 不是一个固定点。 气流在前驻点分成两股，分别流向叶背和叶盆。由于前缘半径r1 很小，所以曲率就很大，这就造成绕小圆流动时角加速度很大的 加速流动。由于叶背型面为外凸型，叶背的气流达到更高的速度， 由图所示，可能在D点达到声速，在D点以后超声流绕叶背的凸面 流动就会产生膨胀波而继续加速。图中虚线表示膨胀波，点划线 则表示声速线，当达到E点时产生一道激波，波后流速降为亚声速， 并进一步减速至尾缘。
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二、原始对称叶型及中弧线 1、原始对称叶型
原始叶型：叠加到弯曲中线之前，叶型厚度沿弦长的分布。 叶型中线与原始对称叶型配合应用。NACA是给出中线的坐 标和斜率，其它用圆弧或抛物线给出。
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——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
叶轮机械原理
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——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
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§5.3平面叶栅的实验研究
上述气动参数之间还存在着密切的关系，平面叶栅 实验研究正是研究具有不同几何特征的叶栅在不同的来 流条件和流出条件下的气动性能。如前所述，亚声压气 机设计的基础是平面叶栅的试验结果，下面介绍平面叶 栅的实验研究。
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叶型和平面叶栅的几何参数 一、叶型的几何参数
平面叶栅是由很多个 几何形状相同并按照一 定要求和相隔一定距离 排列起来的叶型组成的， 现讨论由哪些几何参数 来确定叶型。
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3、叶栅稠度τ： 稠度τ等于弦长和栅距t的比值，即τ=b/t， 表示叶栅相对稠密的程度，也叫叶栅实度。
4、几何进口角β1k和几何出口角β2k ： 分别是中弧线在前缘点A和后缘点B处的切线和 额线的夹角。它们可由叶型的前后缘角X1和X2以及 安装角βy计算出来。这两个角度是确定气流在叶 栅进口处和出口处方向的参考基准。
1k y X1, 2k y X 2
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§5.2平面叶栅的气动参数
叶栅流场中每一点的流动参数都不相同。但是从总体 或从平均意义上来看，可以沿额线方向在一个栅距内取平 均值，用以代表叶栅的远前方和远后方完全均匀的气动参 数。用1-1截面表示栅前，2-2截面表示栅后，并对气动参 数标以注脚“1”或“2”，则一个叶栅有下列基本气动参数：