叶轮机械原理_第一章

可为建设节约型社会做出重要贡献。
第一章
绪 论
六、航空叶片机的发展概况
• 航空叶片机发展到目前的水平，最主要的 进步是在最近几十年取得的。
•人类实现动力飞行梦想已100年，前四十年 使用的是活塞式发动机。
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1903年12月17日，美国莱特兄弟把活塞发动机用 于飞行者1号上，完成了世界上首次载人动力飞行。
• 根据工质的流动形式，叶轮机分为轴流 式、径流式和斜流式三种形式， •上述三种形式中的任意两种的组合则称为混 合式叶轮机。
第一章
（一）轴流式
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轴流式压气机
转子
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轴流式涡轮
转子
第一章
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轴流泵
轴流式水轮机转子
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（二）径流式
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离心式压气机
转子
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图 1.9 DA120－61离心式压缩机纵剖面构造图 1、吸气室； 2、叶轮； 3、扩压器； 4、弯道； 5、回流器； 6、蜗室； 7、8、轴端密封； 9、隔板密封； 10、轮盖密封； 11、平衡盘； 12、推力盘； 13、联轴器； 14、卡环； 15、主轴； 16、机壳； 17、支持轴承； 18、止推轴承； 19、隔板； 20、回流器导流叶片； 21、中间冷却吸气管； 22、出气管
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S1和S2流面
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S1流面
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S2流面
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• 20世纪60年代Novak等人发展出了S2流 面上的流线曲率法（流线迭代法）。 • 流线曲率法将三维空间问题化简为S2流 面上的准三维问题。 • 补充两个模型方程（经验关系式）： 流动损失模型 和 落后角模型
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九、叶轮机械设计过程简介
• 子午面流道的确定；
• 子午面（或S2m流面）上气流参数的确定；
第一章
• 叶片造型 ；
• 三维数值分析；
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第一章
作业1
绪 论
1）以能量转换形式区分，叶轮机械有哪两类？并举例。
2）叶轮机械存在几种典型的流动形式？分别是什么？ 3）什么是S1流面？什么是S2流面？ 4）叶轮机内部流动的复杂性主要体现在哪些方面？
“飞行者”1号采用的活塞式发动机
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1930年，英国人弗兰克· 惠特尔获得了燃气涡 轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动 机设计。但第一架喷气飞机（He-178）却出现在德 国，于1939年8月27日首飞。
The Second Jet Flight - Aug. 27, 1940
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绪 论
4）离心式压缩机原理 徐忠，机械工业出版社，1990
5）轴流压气机气动设计，秦鹏 译，NASA-SP-36，1965
6）泵与风机（第二版）， 郭立均，
中国电力出版社，1997年
7）叶轮机械--原理与结构，鲍尔，W.，1984年6月第1版
第一章
一、叶轮机的广泛应用
绪 论
风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、 水轮机、水泵、螺旋桨（飞机、轮船）、航 空发动机中的风扇、压气机、涡轮 ……
Caproni-Campini CC-2
The Third Jet Flight - May 15, 1941
British Gloster E.28/39 / Whittle W-1X jet engine
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• 早期的航空叶片机（压气机、涡轮）的设 计主要是依靠实验研究的手段。 •20世纪五十年代，中国旅美学者吴仲华先 生提出两个流面（S1和S2 ）的理论，叶片 机设计的理论计算研究开始取得突破性进 展。
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• 气流在涡轮中是从压力高的地方流向压 力低的地方，沿流向是顺压梯度；
• 涡轮一级的作功能力相对较大，涡轮的 级数少；
wenku.baidu.com
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• 多级压气机存在一个非常重要的问题— —级与级之间的匹配问题
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五、叶轮机研究的意义
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• 叶轮机与能源的消耗和能源的利用密切相 关； • 研制各种类型的高效率、低消耗的叶轮机，
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• 叶轮机内部流动的复杂性： 1）流动的三维性 ； 2）流体的可压缩性 ； 3）流体的粘性 ； 4）流动的非定常性。
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Passageshock Tip clearance leakageflow
绪 论
Casing ScrapingVortex
TipCornerVortex
Inlet relative flow Secondary flow
绪 论
• 20世纪90年代以后，计算流体力学 （Computational Fluid Dynamics, CFD） 在叶轮机设计中所起的作用越来越大。 • IHPTET计划（1988年～2003年）
（Integrated High Performance Turbine Engine Technology , 综合高性能涡轮发动机技术）
Wr
Wt
W Bladeboundary layer
TrailingVortex
Innercasing boundary layer

HubCornerVortex
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八、叶轮机械内部复杂流动的简化 • 假设流动是定常的； • 假设流动是轴对称的； • 假定粘性作用主要在边界层中。
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• IHPTET计划要用15年的时间实现过去40
年所取得的进步 推重比翻一倍，达到15～20，
SFC下降40％～50％。
（Specific Fuel Consumption，单位燃油消耗 率）
Comparison of CJ805 and GE90 Compressor Systems
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离心式水泵
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向心式涡轮
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（三）斜流式
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斜流式压气机
转子
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绪 论
混合式压气机
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绪 论
第一章
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涡轮增压器
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四、气流在压气机和涡轮中的流动特点 • 气流在压气机中是从压力低的地方流向 压力高的地方，沿流向是逆压梯度； • 压气机一级的增压能力相对较小，压气 机的级数多；
绪 论
1）船用燃气轮机轴流式叶轮机械气动热力学（原 理、设计与试验研究），李根深、陈乃兴、强国芳，
国防工业出版社，1980年
2）叶轮机械原理 舒士甄、朱力、柯玄龄、蒋滋 康，清华大学出版社，1991年 3）Cumpsty N.A., Compressor aerodynamics, Longman Scientific & Technical, 1989.
叶轮机械原理
北京航空航天大学 能源与动力工程学院 流体机械系 二零零六年三月
第一章
• 本课程的学习
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• 作业（40％）、考试（60％）
• 教材：
1）航空燃气轮机原理（上） 彭泽琰、刘刚 编著 国防工业出版社 2000年 2）叶轮机械原理（讲义） 流体机械系 编 2006年
第一章
• 主要参考书：
• 早期的压气机叶型源于飞机翼型。迄今，叶 轮机内流动的研究思路仍然可以追溯到在机翼 上首先研究成功的成果。
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绪 论
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•叶片绕流比飞机翼型绕流要复杂得多，直接沿 用翼型绕流的成熟概念往往不能成功，必需考虑 叶轮机械本身的特殊性和复杂性。 •叶轮机内部流动的特殊性：
1）叶型不是孤立存在，它受到相邻叶型的影 响； 2）叶轮机属于旋转机械，叶片从根到尖的展向 流动变化非常大；
UDF on Boeing 727 test bed
GP7200 for the Airbus A380
T.O. Thrust 70,000 lb Bypass ratio 8.7 to 1 Fan Diameter 116 in (295 cm)
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二、叶轮机的定义与分类 • 各式各样的叶轮机存在一个共同的特点—— 叶片围绕旋转轴旋转，在叶片的旋转过程中 完成了叶片机与工质（流体：气、液、二者 混合物）之间的能量交换； • 根据叶轮机与流体之间能量交换的方向，叶 轮机分为两大类型。
CJ805 circa 1960 12.5:1 pressure ratio GE90 circa 1996 44:1 system pressure ratio Booster Fan
HP (core) compressor
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七、叶轮机械内部的复杂流动
• 叶轮机通常由多级组成，而每一级中又分成 转子部分（动叶和轮毂）和静子部分（静叶和 机匣）；
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•一种类型叶轮机的作用是将流体的机械能和 热能转换为对外界输出的机械功，这种叶轮 机有：水轮机、汽轮机、涡轮等； •另一种类型叶轮机的作用是将外界输入的机 械功转换为流体的机械能（动能和压力势 能）和热能，这种叶轮机有：鼓风机、水 泵、螺旋桨、风扇、压气机等。
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三、叶轮机的主要形式