燃气轮机10
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临界截面上的参数只与气体性质有关，用来计算流量更方便。
p* A
无因次密流（气动函数） 1 1 cA A k 1 2 k 1 k 1 k 1 q ( A ) A 1 A acr cr k 1 2
k * acr 2 RgTA k 1
单轴轴流式压气机
* L* (105 110%) L st ,i st ,m
2 —“零”级用跨音速级，其余亚音速级 L*
st , Z
(85 ~100%) L* st ,m
双轴轴流压气机
轴流-离心式压气机
1—转速相同 2—高压轴转速高
3-6 压气机的特性线
设计工况: ——就是进行压气机气动计算的某个给定工况。 —— 确定压气机通流部分的形状和几何参数、级数以及 叶片的形状、安装角等。 设计参数: 相应于设计工况下的压比、流量、转速、效率等。 机组实际运行中： 压气机不可能只是在特定的设计工况下工作，经常会 偏离设计工况点，一些基本参数都是会随时变化的。
n T
* 1
)
这三个参数中，只要其中 任意两个参数确定，那么 其它参数也就确定了。
叶型表面形成边界层而引起的。
—分为三部分：
摩擦损失—气流流过压气机级时，与叶片表面、气缸壁面
以及气流质点之间，由于相互摩擦效应所引起的能量损耗。 与叶型表面的附面层类型有关
分离损失—叶型表面附面层气流分离形成的涡流损失
尾迹损失—叶型后缘的停滞涡流区且气流规律性差
摩擦损失
（附面层内）
尾迹气流规律性差
加，又会改变气体的状态。
（1）通流部分中的摩擦阻力和涡流损失 （2）级内的漏气损失； （3）转盘或转鼓端面与气流的摩擦损失； （4）出口速度损失（余速损失）。
对于基元级平面叶栅，流动损失仅指叶型损失。 对于压气机级，叶片具有一定的高度，流动损失包括
叶型损失、环端面损失、二次流损失。
一、叶型损失
Cs*与级效率st*之间的关系？
* Cs
* st
重热效应 ：
量基本上都转换成摩擦热量，使下 * * * * 假设 st ,1 st , 2 st , z st 一级气体的进口温度提高，从而增 加了下一级的绝热压缩功，使压气 * * T T cs cs 机的效率降低。 * *
3-4 压气机级中的能量损失
对于整台压气机而言: （一）外部损失
（1）轴承的机械摩擦损失； （2）外气封的漏气损失。
——用机械效率m表示。
——会增加压气机的功率，但不会影响气体的状态。
（二）内部损失
在气体流动过程中产生的摩擦阻力和涡流损失， 使部分有用功变为无用的热能，使压气机的功率增
um逐级减小
应用：
小流量或固定式燃机中
（3）等平均直径 Dm=const
内径Dh逐级增大、外径Dt逐级减小
Dm=constum不变来自特点：各级加功量、级数、级效率等介入二者之间； 但轮毂与气缸的加工均不便。
应用： 前这种形式在固定式压气机中用得不多。
（4）混合式
特点：
前几级等内径、中间等外经、后几级等平均直径
2 cr k 1
1 k 1
速度系数
A cA acr
1 k 1
2 * A k 1
2 h
p* A * RgTA
k 2 A Rg k 1
k 1 k 1
AA
4
(D D )
2 t
按工作条件与特点，可将整个通流部分的级分成为三类：
前级（首级代表）qv1大 1小 T1低，则l1最长 d1最小 中间级 后级（末级代表）qvmin max T高，则l1最短 d最大
二、多级轴流压气机的通流部分形式
q Acz const
轴向分速
AZ A1
q , Acz
径向间隙
叶栅后的压力高
2、径向间隙端流动损失
叶尖
径向压差一定
cu的存在而形成离心力
叶根
* 刮擦涡损失
主流区满足 径向平衡
（严重u>>cu) 静叶栅相反， 3、叶身附面层 径向流动的潜移损失 由外径向内径移动
压气机级中的损失
从整个叶片看来，其两端的损失要比中间部分的大。
有时在实际考虑叶栅中的叶型损失外，也常将环端面 损失和二次流损失平均分配给沿叶高的基元级，用来
4
2 Dt2 (1 d A)
对于空气，A =0.0404。
三、多级压气机的主要性能参数
2．压比
─压气机出口气流压力与进口气流压力的比值
用滞止压力表示：
* p * Z st1 st 2 stZ * p1
* p1 1 pa
3．等熵效率
* * * * * L i i T T T * 1 cs 1 cs Cs cs cs * * * * * Lc ic i1 Tc T1 Tc
在同一转速n和容积流量下，质量流量q发生变化，和C也会变化 。
在不同的进气温度下，必须重新绘制压气机的特性曲线。
非常不方便
怎么解决？
应用相似理论，采用通用的相似参数来绘制压气 机的特性曲线。 ——压气机的通用特性曲线 统一采用四个参数
、
q T1* 压比 √ f1 ( * , p1
折合流量
3-6 压气机的特性线
压气机的特性：
—包括设计工况在内的各种工况下的压气机工作性能。 —即基本参数q、、 n 和C之间相互变化关系的规律。
理论方法：近似，不准确 实验方法：实物或模型，可靠
一、压气机的特性线
在转速恒定的条件下，压气机的压比和效率C
随流量q的改变而变化的关系的通称。
f1 (q, n, pa , Ta ) C f 2 (q, n, pa , Ta )
特点：
可逐级增大加功量， 级数减少，轴向尺寸缩短； 气缸内径加工方便，结构简单；
但是，末级叶片较短，能损大；轮毂加工困难。
应用：运输式燃气轮机
（2）等内径 Dh=const
外径Dt和平均直径Dm逐级降低
特点：
各级加功量减小，级数增多； 流动损失较小，效率较高； 气缸内孔有锥度，不利加工。
Dh=const
在多级轴流压气机中
最主要是研究通流部分内气流流动情况。
每一个单级的工作原理是完全相同的。
但沿通流部分气流的参数是逐级变化的，所以各级进气状 态及流场就不同，其几何参数也各不相同。这样就形成了
各级中不同的气流流动与工作特点。
这些不同点，首先是由于各级的压力、温度、流速及容积 流量不同所造成的。
目前燃气轮机的压比在8~20，必须多级串联。 —由若干单级压气机沿轴线方向依次排列组成 —通流部分是渐缩的，叶片高度逐级降低。
16级
在多级压气机中，后一级的进口流场及参数状况， 决定于前一级出口的气流情况；而后级的流动状况 又对前级存在着一定的影响。
其级与级之间是相互影响、相互联系的。 其工作情况及要考虑的问题要比单独级复杂。
z
L
* st , s
* L st ,si i 1
z
* Cs
L* Cs
* st ,s
同一台压气机中，各级的实际工 作条件不相同，其等熵压缩功可 能彼此差别较大。
* L* st ,1 (55 ~ 75%) Lst ,m
1 亚音速级
st*,s
84~86％ 87~91％ 85~87％
* L* (75 ~ 90%) L st ,2 st ,m
* C s
LC Lst ,i
i 1
z
若压气机作为一个独立的整体使用时，必须考虑外部损失，
压气机消耗的总功率：
PC
m
PC
kW
m 机械效率。
下角标s
四、多级轴流式压气机等熵压缩功的分配
* L* L st ,m Cs / Z
3 跨音速级 级数减少
Z
* L st ,si i 1
cZz c1z
cz逐级较显著地减小；降低级的增压能力
AZ A1
cZz c1z
通流面积较快地缩小，末级叶片过短
AZ A1
cZz c1z √
通流面积变化比较平缓均匀
各种通流部分形式示意图
（1）等外径 Dt=const
内径Dh和平均直径Dm逐级增大
Dt=const
ut相等且最大 um逐级增大
应用：
高压比、小流量压气机采用。
混合式
前几级qv大，采用等外径 不致使叶片过短
后几级qv小，采用等内径 不致使叶片太短
一般前几级等外径、后几级等内径
级数较多时，在一些运输式压气机中用得较多。
三、多级压气机的主要性能参数
1．质量流量q kg/s
压气机进口截面A-A处： q A q ( A ) A A * TA q＝qA＝ AcAAA
主要原因：仔细阅读P102-103 !!!
q
压气机的特性线图 ③等效率曲线
等效率线
三、压气机的通用特性曲线
实际运行条件经常变化 （大气条件、地理位置等环境条件） （1）当进气温度Ta不变，只改变pa时 对特性线无影响
气体密度和质量流量随pa按正比例变化，和C不改变 (总功率PC变化）
（2）当进气温度Ta变化时 对特性线有影响
主流部分
端面附面层
流动细节十分复杂 如漏气、间隙、粘性三元
三、二次流损失
叶片有限长，叶片构成环形空间，实际流动复杂。 特别是叶根和叶顶附近，存在着一些与主流方向大 不相同的二次流动，扰乱主流。
1、双涡损失
叶片工作面压力大于非工作面的
偏向叶背 方向相反
横贯主流方向存在着压差： 流道中间，与离心惯性力平衡； 上下端面处，惯性力减小气流移动。
主流
主流
叶背压力梯度大
分离损失：叶型形状、附面层状况、
流道扩张、工况变化等 i<0
尾迹损失
i>0
叶背 分离易扩大
离心力
叶腹 分离不易扩大
二、环端面损失
在叶高方向限制叶栅通道的壁面上（气缸和转鼓 表面）产生的摩擦和涡流损失。 —影响气流轴向速度分布
端面附面层 后继级轴向分速度相对稳定
前几级影响较大
压比曲线
当转速n一定时，每一条压比特 性线上都有一个最高点，把特性 线分为左、右两侧支。
效率曲线
在转速n一定时，有一个流量使 效率最高，此时流阻最小。 当流量q增加或减少时，都使流 阻增大，效率下降。
压气机只能在喘振 边界线的右侧工作。
一定转速下，流量减少到某个数值时，压气机会发生喘振。
出现左右两侧分支的
(一般， 1.02 ~ 1.04)
* * 由T - s图可知， T T is cs i 1
z
级绝热效率
压 气 机 绝 热 效 率
* Cs
* st
Z
LCs c pCT1* ( π
kc 1 kc
1)
4．功率
P C qLC kW
LC LCs 1
在设计时估计压气机叶栅的效率。
某台单级轴流式压气机的能量损失
级的流量系数
c1z ut 1
各种能量损失功耗效率 必须想方设法尽力地减小能量损失
从设计、制造、运行三方面同时着手
3-5 多级轴流压气机
一、概述
一般轴流式压气机：
亚音速级压比 1.15~1.30，运输式的可达1.4； 跨声速级则为1.50~2.0（以上）
环境条件（pa,Ta）一定时
f3 (q, n) C f 4 (q, n)
流量特性线
保持n不变，改变q，获得
、C 随流量q的变化关系；
改变转速n，重复。
压气机的特性线图
— 把各种不同转速下的流量特性线画在一起，
得到一组以转速n为参变量、压比和效率C 随流量q变化的曲线。
压气机级的特性线
喘振边界线
(右侧稳定工作）
主要原因： 气流流过压气机叶 栅时，存在着因气流 的脱离现象而产生涡 流损耗的原故。
二、多级轴流式压气机的特性线特点
主要区别：
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。 喘振点压比为该转速的最高压比。 ② 在同一转速下，当流量增大时，多级 压气机的压比和效率的下降要比单级 的更剧烈，即特性曲线变得更陡峭。 转速不变时，正常工作流量范围狭窄。 ③ 压气机的转速愈高，多级压气机的特 性曲线显得愈陡峭。
Cs * T i i 1 z st * T is i 1 z
* T * * * is T由于克服流动阻力所消耗的能 T c i st ,i * T i 1 i z
即多级压气机的绝热效率 低于各单级的平均热效率。 重热系数
* st * 1 Cs
p* A
无因次密流（气动函数） 1 1 cA A k 1 2 k 1 k 1 k 1 q ( A ) A 1 A acr cr k 1 2
k * acr 2 RgTA k 1
单轴轴流式压气机
* L* (105 110%) L st ,i st ,m
2 —“零”级用跨音速级，其余亚音速级 L*
st , Z
(85 ~100%) L* st ,m
双轴轴流压气机
轴流-离心式压气机
1—转速相同 2—高压轴转速高
3-6 压气机的特性线
设计工况: ——就是进行压气机气动计算的某个给定工况。 —— 确定压气机通流部分的形状和几何参数、级数以及 叶片的形状、安装角等。 设计参数: 相应于设计工况下的压比、流量、转速、效率等。 机组实际运行中： 压气机不可能只是在特定的设计工况下工作，经常会 偏离设计工况点，一些基本参数都是会随时变化的。
n T
* 1
)
这三个参数中，只要其中 任意两个参数确定，那么 其它参数也就确定了。
叶型表面形成边界层而引起的。
—分为三部分：
摩擦损失—气流流过压气机级时，与叶片表面、气缸壁面
以及气流质点之间，由于相互摩擦效应所引起的能量损耗。 与叶型表面的附面层类型有关
分离损失—叶型表面附面层气流分离形成的涡流损失
尾迹损失—叶型后缘的停滞涡流区且气流规律性差
摩擦损失
（附面层内）
尾迹气流规律性差
加，又会改变气体的状态。
（1）通流部分中的摩擦阻力和涡流损失 （2）级内的漏气损失； （3）转盘或转鼓端面与气流的摩擦损失； （4）出口速度损失（余速损失）。
对于基元级平面叶栅，流动损失仅指叶型损失。 对于压气机级，叶片具有一定的高度，流动损失包括
叶型损失、环端面损失、二次流损失。
一、叶型损失
Cs*与级效率st*之间的关系？
* Cs
* st
重热效应 ：
量基本上都转换成摩擦热量，使下 * * * * 假设 st ,1 st , 2 st , z st 一级气体的进口温度提高，从而增 加了下一级的绝热压缩功，使压气 * * T T cs cs 机的效率降低。 * *
3-4 压气机级中的能量损失
对于整台压气机而言: （一）外部损失
（1）轴承的机械摩擦损失； （2）外气封的漏气损失。
——用机械效率m表示。
——会增加压气机的功率，但不会影响气体的状态。
（二）内部损失
在气体流动过程中产生的摩擦阻力和涡流损失， 使部分有用功变为无用的热能，使压气机的功率增
um逐级减小
应用：
小流量或固定式燃机中
（3）等平均直径 Dm=const
内径Dh逐级增大、外径Dt逐级减小
Dm=constum不变来自特点：各级加功量、级数、级效率等介入二者之间； 但轮毂与气缸的加工均不便。
应用： 前这种形式在固定式压气机中用得不多。
（4）混合式
特点：
前几级等内径、中间等外经、后几级等平均直径
2 cr k 1
1 k 1
速度系数
A cA acr
1 k 1
2 * A k 1
2 h
p* A * RgTA
k 2 A Rg k 1
k 1 k 1
AA
4
(D D )
2 t
按工作条件与特点，可将整个通流部分的级分成为三类：
前级（首级代表）qv1大 1小 T1低，则l1最长 d1最小 中间级 后级（末级代表）qvmin max T高，则l1最短 d最大
二、多级轴流压气机的通流部分形式
q Acz const
轴向分速
AZ A1
q , Acz
径向间隙
叶栅后的压力高
2、径向间隙端流动损失
叶尖
径向压差一定
cu的存在而形成离心力
叶根
* 刮擦涡损失
主流区满足 径向平衡
（严重u>>cu) 静叶栅相反， 3、叶身附面层 径向流动的潜移损失 由外径向内径移动
压气机级中的损失
从整个叶片看来，其两端的损失要比中间部分的大。
有时在实际考虑叶栅中的叶型损失外，也常将环端面 损失和二次流损失平均分配给沿叶高的基元级，用来
4
2 Dt2 (1 d A)
对于空气，A =0.0404。
三、多级压气机的主要性能参数
2．压比
─压气机出口气流压力与进口气流压力的比值
用滞止压力表示：
* p * Z st1 st 2 stZ * p1
* p1 1 pa
3．等熵效率
* * * * * L i i T T T * 1 cs 1 cs Cs cs cs * * * * * Lc ic i1 Tc T1 Tc
在同一转速n和容积流量下，质量流量q发生变化，和C也会变化 。
在不同的进气温度下，必须重新绘制压气机的特性曲线。
非常不方便
怎么解决？
应用相似理论，采用通用的相似参数来绘制压气 机的特性曲线。 ——压气机的通用特性曲线 统一采用四个参数
、
q T1* 压比 √ f1 ( * , p1
折合流量
3-6 压气机的特性线
压气机的特性：
—包括设计工况在内的各种工况下的压气机工作性能。 —即基本参数q、、 n 和C之间相互变化关系的规律。
理论方法：近似，不准确 实验方法：实物或模型，可靠
一、压气机的特性线
在转速恒定的条件下，压气机的压比和效率C
随流量q的改变而变化的关系的通称。
f1 (q, n, pa , Ta ) C f 2 (q, n, pa , Ta )
特点：
可逐级增大加功量， 级数减少，轴向尺寸缩短； 气缸内径加工方便，结构简单；
但是，末级叶片较短，能损大；轮毂加工困难。
应用：运输式燃气轮机
（2）等内径 Dh=const
外径Dt和平均直径Dm逐级降低
特点：
各级加功量减小，级数增多； 流动损失较小，效率较高； 气缸内孔有锥度，不利加工。
Dh=const
在多级轴流压气机中
最主要是研究通流部分内气流流动情况。
每一个单级的工作原理是完全相同的。
但沿通流部分气流的参数是逐级变化的，所以各级进气状 态及流场就不同，其几何参数也各不相同。这样就形成了
各级中不同的气流流动与工作特点。
这些不同点，首先是由于各级的压力、温度、流速及容积 流量不同所造成的。
目前燃气轮机的压比在8~20，必须多级串联。 —由若干单级压气机沿轴线方向依次排列组成 —通流部分是渐缩的，叶片高度逐级降低。
16级
在多级压气机中，后一级的进口流场及参数状况， 决定于前一级出口的气流情况；而后级的流动状况 又对前级存在着一定的影响。
其级与级之间是相互影响、相互联系的。 其工作情况及要考虑的问题要比单独级复杂。
z
L
* st , s
* L st ,si i 1
z
* Cs
L* Cs
* st ,s
同一台压气机中，各级的实际工 作条件不相同，其等熵压缩功可 能彼此差别较大。
* L* st ,1 (55 ~ 75%) Lst ,m
1 亚音速级
st*,s
84~86％ 87~91％ 85~87％
* L* (75 ~ 90%) L st ,2 st ,m
* C s
LC Lst ,i
i 1
z
若压气机作为一个独立的整体使用时，必须考虑外部损失，
压气机消耗的总功率：
PC
m
PC
kW
m 机械效率。
下角标s
四、多级轴流式压气机等熵压缩功的分配
* L* L st ,m Cs / Z
3 跨音速级 级数减少
Z
* L st ,si i 1
cZz c1z
cz逐级较显著地减小；降低级的增压能力
AZ A1
cZz c1z
通流面积较快地缩小，末级叶片过短
AZ A1
cZz c1z √
通流面积变化比较平缓均匀
各种通流部分形式示意图
（1）等外径 Dt=const
内径Dh和平均直径Dm逐级增大
Dt=const
ut相等且最大 um逐级增大
应用：
高压比、小流量压气机采用。
混合式
前几级qv大，采用等外径 不致使叶片过短
后几级qv小，采用等内径 不致使叶片太短
一般前几级等外径、后几级等内径
级数较多时，在一些运输式压气机中用得较多。
三、多级压气机的主要性能参数
1．质量流量q kg/s
压气机进口截面A-A处： q A q ( A ) A A * TA q＝qA＝ AcAAA
主要原因：仔细阅读P102-103 !!!
q
压气机的特性线图 ③等效率曲线
等效率线
三、压气机的通用特性曲线
实际运行条件经常变化 （大气条件、地理位置等环境条件） （1）当进气温度Ta不变，只改变pa时 对特性线无影响
气体密度和质量流量随pa按正比例变化，和C不改变 (总功率PC变化）
（2）当进气温度Ta变化时 对特性线有影响
主流部分
端面附面层
流动细节十分复杂 如漏气、间隙、粘性三元
三、二次流损失
叶片有限长，叶片构成环形空间，实际流动复杂。 特别是叶根和叶顶附近，存在着一些与主流方向大 不相同的二次流动，扰乱主流。
1、双涡损失
叶片工作面压力大于非工作面的
偏向叶背 方向相反
横贯主流方向存在着压差： 流道中间，与离心惯性力平衡； 上下端面处，惯性力减小气流移动。
主流
主流
叶背压力梯度大
分离损失：叶型形状、附面层状况、
流道扩张、工况变化等 i<0
尾迹损失
i>0
叶背 分离易扩大
离心力
叶腹 分离不易扩大
二、环端面损失
在叶高方向限制叶栅通道的壁面上（气缸和转鼓 表面）产生的摩擦和涡流损失。 —影响气流轴向速度分布
端面附面层 后继级轴向分速度相对稳定
前几级影响较大
压比曲线
当转速n一定时，每一条压比特 性线上都有一个最高点，把特性 线分为左、右两侧支。
效率曲线
在转速n一定时，有一个流量使 效率最高，此时流阻最小。 当流量q增加或减少时，都使流 阻增大，效率下降。
压气机只能在喘振 边界线的右侧工作。
一定转速下，流量减少到某个数值时，压气机会发生喘振。
出现左右两侧分支的
(一般， 1.02 ~ 1.04)
* * 由T - s图可知， T T is cs i 1
z
级绝热效率
压 气 机 绝 热 效 率
* Cs
* st
Z
LCs c pCT1* ( π
kc 1 kc
1)
4．功率
P C qLC kW
LC LCs 1
在设计时估计压气机叶栅的效率。
某台单级轴流式压气机的能量损失
级的流量系数
c1z ut 1
各种能量损失功耗效率 必须想方设法尽力地减小能量损失
从设计、制造、运行三方面同时着手
3-5 多级轴流压气机
一、概述
一般轴流式压气机：
亚音速级压比 1.15~1.30，运输式的可达1.4； 跨声速级则为1.50~2.0（以上）
环境条件（pa,Ta）一定时
f3 (q, n) C f 4 (q, n)
流量特性线
保持n不变，改变q，获得
、C 随流量q的变化关系；
改变转速n，重复。
压气机的特性线图
— 把各种不同转速下的流量特性线画在一起，
得到一组以转速n为参变量、压比和效率C 随流量q变化的曲线。
压气机级的特性线
喘振边界线
(右侧稳定工作）
主要原因： 气流流过压气机叶 栅时，存在着因气流 的脱离现象而产生涡 流损耗的原故。
二、多级轴流式压气机的特性线特点
主要区别：
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。 喘振点压比为该转速的最高压比。 ② 在同一转速下，当流量增大时，多级 压气机的压比和效率的下降要比单级 的更剧烈，即特性曲线变得更陡峭。 转速不变时，正常工作流量范围狭窄。 ③ 压气机的转速愈高，多级压气机的特 性曲线显得愈陡峭。
Cs * T i i 1 z st * T is i 1 z
* T * * * is T由于克服流动阻力所消耗的能 T c i st ,i * T i 1 i z
即多级压气机的绝热效率 低于各单级的平均热效率。 重热系数
* st * 1 Cs