叶轮机械原理_第三章

4.几何进口角 1k和
几何出口角 2k
b , = t
第三章
轴流压气机的工作原理
二、平面叶栅中的流动
当叶栅进口 M a 比较高时（达到0.8左右），在叶栅通道内部 就有可能出现局部超声速流动，这时的来流 M a 在气动上被称 为临界 M a 。 前缘小圆的半径增 大、叶型的最大厚度 大和其位置靠近前 缘、 中弧线的挠度大和其 位置靠近前缘等因M a 素，都会使叶栅的临 界 减小。
一级来了解其工作原理。
第三章
轴流压气机的工作原理
用两个与压气机同轴并且半 径相差 r 很小的圆柱面，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 了构成压气机一级的微元单位 －－基元级，
第三章
轴流压气机的工作原理
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。因 r非常小，气体在基
一步减速和增压。
2 2 c2 c3
2
Lfs = 2
3
dp
基元级中静叶的作用：1.导向，2.增压。
第三章
轴流压气机的工作原理
气体流经压气机级的参数变化
第三章
轴流压气机的工作原理
（三）基元级的反力度
气流流过压气机基元级时，动叶和静叶都对气流有增 压作用，当基元级总的静压升高确定后，就存在静压升高 在动叶和静叶之间的分配比例问题。 基元级的静压升高在动叶和静叶之间的分配情况，对 于基元级对气体的加功量和基元级的效率有较大的影响。
静压升高的百分比。
第三章
轴流压气机的工作原理
现代航空发动机压气机基元级的反力度：0.55～0.70
w1
w1
w2
c1
c2
w2
c1
c2
Ω=0.5
Ω=0.0
第三章
轴流压气机的工作原理
如果反力度过低，则气体 通过动叶后静压升高不 多，表明动叶加给气体的 机械能主要是动能，这样 动叶出口的 c2 速度就会很 c2 大，而且方向也很斜。这 样会加大静叶的设计难 度，因此，需要尽量避免 反力度过低的现象发生。
w2 u2 u1
c1
c2

wu
u1
(a)
(b)
c1a c 2 a c 3a
简化速度三角形
第三章
轴流压气机的工作原理
wu称为扭速， wu =w 1u w2u
w1
wu
w2
c1a c1u u1
c1
c2

在气流沿圆柱面流动的 u1 =u2 ，可得到 情况下，
u2
cu
用热焓形式能量方程、绝热条件、等熵过程的气动关
Tadk padk ( 系式 T1 = ( p 1 )
adk

k 1 ) k
k R 和 cp = k 1
k 1
Ladk = cp(T
k RT1 ( kk 1) T1 ) = k 1


=
k
k

k 1 k k
（四）动叶进口预旋速度 c1u的选取
影响，在设计时可根据需要灵活选取预旋速度 c1u 。
u
采用正预旋可有效降低动叶
W1 W '1 U1 U1 C1 C '1
进口的相对 M w 。
1
第三章
轴流压气机的工作原理
(2)反预旋c1u（c1u的方向与u的方向相反） 在压气机设计时，通常安排动叶的加功量沿叶高 分布基本相等，即Lu=u 叶尖wu叶尖＝u叶根w u叶根 ，
1
T k 1) Lk = cp(T k T ) 1= RT1 ( k 1 T1
T k 1 T1
第三章
第二节
轴流压气机的工作原理
轴流压气机的基元级和基元级的速度三角形
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，并且每级的工作原理大 致相同，可以通过研究压气机的
w1
w2
c1
第三章
轴流压气机的工作原理
反力度的计算公式
Lu = 1
2
dp
c2 2 c1 2 L f R 2
(绝对坐标系)
0 = 1
2
dp
w2 2 w1 2 LfR 2
(相对坐标系)
2 2 w12 w 2 c c 2 2 1 Lu = 2 2
第三章
或静叶中的流动，这种在平面上展开的模拟叶栅 就是压气机平面叶栅。
第三章
轴流压气机的工作原理
叶型表面座标: 选定中弧线（圆弧、抛物线、 多项式等），将原始叶型（中 弧线为直线的对称叶型）的厚 度移植到中弧线曲线上，可得 到叶型的表面座标。
一、平面叶栅的几何参数
叶背表面也称为叶片吸力面，
叶盆表面也称为叶片压力面。
第三章
第五节
轴流压气机的工作原理
压气机平面叶栅流动
动叶和静叶的叶栅通道以及气 流相对于动叶和静叶的流动都 有着共同的特点： •气流在沿流向扩张的通道中减 速扩压流动； •气流的角度发生偏转，由与轴 向的夹角大，偏转到与轴向的 夹角小。
亚声速基元级
第三章
轴流压气机的工作原理
可以用单独一排叶片来模拟气流在基元级中动叶
c
•现圆周速度u可达500米/秒左右， Mw1在1.6～1.8 ； •叶片材料的强度是限制u提高
w'1 w1 u1 u'1 c1
的因素之一。
第三章
轴流压气机的工作原理
（三）动叶进口轴向速度c1a的选取
• c1a影响压气机的迎风面 积； • 过大的c1a易导致流动堵塞 和流动损失增大 ，尤其是 在动叶的根部区域（叶片 密、叶片厚）； • Ma超过0.75后，q(Ma)增 大不明显；
w u大，造成：
• 基元级的反力度低；
w1
Wu
w2
c1
c2
• 静叶进口的c2大，且 斜； • 基元级静叶设计难度 大。
第三章
轴流压气机的工作原理
采用反预旋，可以： • 提高基元级的反力度； • 减小静叶进口c2，改善进 气方向；
w1 w2
Wu
c1
c2
• 降低静叶设计难度。
由于动叶根部的圆周速度u小，采用适当的反预旋， 一般不会出现因动叶进口相对Mw1过大而带来的动叶效 率急剧下降的问题 。
wu = cu = c2u c1u
只需要确定 c1a、c1u 、u 和 wu四个参数，则简 化形式的基元级速度三角形就完全确定了。
第三章
第三节
轴流压气机的工作原理
基元级中动叶和静叶的作用及基元级的反力度
（一）基元级中动叶的作用
压气机通过动叶驱动气体流动完成对气体作功，将 外界输入的机械功转变成气体的热能和机械能。
基元级中动叶的作用：1.加功，2.增压。
第三章
轴流压气机的工作原理
（二）基元级中静叶的作用
Y Axis Title
w1 ß 1
wu
w2
ß 2
c1
cu
c2
第三章
轴流压气机的工作原理
静叶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。静叶的气流通道 沿流向是扩张的，亚声速气流在扩张的静叶流道中进
轴流压气机的工作原理
2 2 c 12 w 12 w 2 c2 = Lu 2 2
=

2 1
dp
LfR
Lu
w1 2 w2 2 c2 2 c1 2 c2 2u c2 2a c1 2 u c1 2 a 2 2 = =1 2 =1 Lu Lu Lu
c2a c1a
Lu = ucu = u(c2u c1u )
c 2u c1u c 1u cu c1u c u c 1u =1 =1 =1 u 2u 2u 2u
第三章
第四节
轴流压气机的工作原理
基元级的速度三角形分析
•多级轴流压气机是由多个单级压气机串联组成，而 其中每一个单级压气机又是由很多个基元级沿叶高 叠加而成。 •压气机是通过无数个基元级实现对气体的加功和增 压，基元级构成了轴流压气机的基础。
(一)扭速wu 的选取
• Lu = ucu = uwu，增大扭速可以增大基元级的加功 量。 wu 增加导致：
w1

wu
w2

c1
c1a c1u u2
cu
c2

1. = 2 1增大；
2. W2减小，逆压梯度增大； 3. 流动分离，动叶加功能力、效率 和流量下降。
u1
第三章
叶型几何参数
轴流压气机的工作原理
1.中弧线 2.弦长b 3.最大挠度fmax及其位置a
f = fmax b
和
a=
a b
4.最大厚度cmax及其位置e
cmax b e b
6.叶型弯角 ， = 1 2
第三章
轴流压气机的工作原理
叶栅几何参数
1.叶型安装角 y
2.栅距 t 3.叶栅稠度
元级中流动其参数可以认为只在沿压气机轴向和圆周
方向发生变化，在圆柱坐标系下，这样的流动是二维 流动。
第三章
轴流压气机的工作原理
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。
C =w+u
u =×r
第三章
轴流压气机的工作原理
w1
w2

c1
c1a c1u u2
cu
c2

w1
1 1
cr
cr
第三章
轴流压气机的工作原理
叶片表面附近的马赫数分布
叶片表面静压分布
第三章
轴流压气机的工作原理
（a）尾迹总压亏损 （b）附面层分离
（c）激波－－附面层
干涉
MArel 1.3329 1.2785 1.2241 1.1697 1.1153 1.0609 1.0065 0.9521 0.8977 0.8433 0.7889 0.7345 0.6801 0.6257 0.5713 0.5168 0.4624 0.4080 0.3536 0.2992 0.2448 0.1904 0.1360 0.0816 0.0272
第三章
轴流压气机的工作原理
•设计压气机从设计压气机的基元级开始，而设计基元
级又是从确定基元级的气动参数开始。 •速度三角形中的主要参数对压气机基元级的加功、增
压和低流阻损失等性能有着重要的影响。
第三章
轴流压气机的工作原理
速度三角形中的 c1a、c1u 、 u 和 wu 的选取规律 以及它们对基元级性能的影响。
w1 2 w2 2 = 2

2 1
dp

L fR
无论是超声速还是亚声速基元级，动叶对气体的加
工都是通过改变气流绝对速度的周向分量并使 cu > 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。
第三章
轴流压气机的工作原理
c2
w1
w2
c1
c2
第三章
轴流压气机的工作原理
静叶进口气流速度大、方向斜带来的问题： •气流在静叶中偏转角度大，减速、扩压大，易分 离；
•出现超声速流动区域和激波，激波损失；
•流量易堵塞。
第三章
轴流压气机的工作原理
(二)动叶圆周速度u的选取
• Lu =ucu =uwu ,提高动叶圆周速度u，可以增大动 叶对气体的加功量;
Mc1a Mc1a
wk.baidu.com三章
轴流压气机的工作原理
（三）动叶进口轴向速度c1a的选取 •美国民用发动机风扇/压气机的Mc1a 的选取值不超过 0.50～0.55，军用发动机风扇/压气机的Mc1a的选取值 不超过0.60～0.65。
第三章
轴流压气机的工作原理
c1u 对气体在基元级中的流动和基元级的反力度有较大的
亚声速基元级
(b)
第三章
轴流压气机的工作原理
叶背流动分离
第三章
轴流压气机的工作原理
•超、跨声速基元级，扭速 wu 是靠强烈的激波系获得。 •如果激波强度过大，激波本身 的总压损失和激波－－附面层 干涉损失严重，使得动叶的效 率急剧下降。
第三章
轴流压气机的工作原理
•为了保证动叶的效率，无论亚声速还是超、跨声速基 元级，都不能任意增大扭速 wu。 • 增大扭速 wu还会使动叶出口速度 c2 增大，并且 的方向很斜，增加了基元级静叶的设计难度。
Lu =u(c2u c1u) =ucu
只要动叶对气体作了功，则一定有 cu > 0
第三章
轴流压气机的工作原理
Y Axis Title
w1 ß 1
wu
w2
ß 2
c1
cu
c2
亚声速基元级工作原理
第三章
轴流压气机的工作原理
超声速基元级工作原理
第三章
轴流压气机的工作原理
Lu =u(c2u c1u) =ucu
第三章
第一节
轴流压气机的工作原理
轴流压气机的增压比和效率
压气机的增压比定义
p k = p1
k
第三章
轴流压气机的工作原理
压气机的总增压比发展历程
第三章
轴流压气机的工作原理
k =

压气机的绝热效率定义
*
Ladk L
k
h
*
pk
k
*
kad
*
p1 L
*
k
L ad k
1
s
第三章
轴流压气机的工作原理
第三章
反力度定义
轴流压气机的工作原理
=

2 1
dp
LfR
Lu
通常，可以认为基元级出口绝对速度
c3的大小和方向
都十分接近于基元级进口的绝对速度
c1，即 c3 c1 。
2 dp 3 dp c3 2 c1 2 3 dp Lu = LfS RS R 2 1 Lf 1 Lf 2 反力度的物理意义：动叶中的静压升高占整个基元级