多级轴流压气机

叶轮机械原理
——第七章 多级轴流压气机
§7.2多级轴流压气机的增压比与效率 一、增压比
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二、多级效率
多级压气机的效率和 单级压气机效率之间的 关系与多级压气机效率 的定义和单级压气机效 率的定义一样，也是等 熵功和轮缘功之比。
多级压气机效率定义图
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§7.3附面层对多级压气机流量的影响 一、附面层引起的轴向速度的分布
右图为环壁附面层 引起的轴向速度变 形示意图。由于附 面层逐级变厚和流 动通道的逐渐减小， 因此，越往后轴向 速度分布变形越大。
环壁附面层引起的轴向速度分布变形
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（二）多级轴流压气机中各个级的特点 1、第一级
（1）流入第一级压气机的气体未经增压，密度小，在流过同样 的空气量前提下，第一级需要流通面积最大； （2）气流马赫数容易达到临界值。 （3）发动机在偏离设计状态下工作时，第一级压气机的进口流 动情况（气流方向和大小）偏离设计点最远。 （4）第一级压气机（或风扇）动叶最长，强度和振动问题多。
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为分析比较方便起见，假定各单级压气机效率相同，即
根据合比定理，得：
所以，得：
即：多级压气机效率比各个分级的级效率（或诸分级的平均级效率）低。
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原因分析： 从以上推证可以看出，所谓多级压气机效率比诸分级压 气机效率低的原因，完全是由于效率定义中的等熵功不同而 引起。 多级压气机效率定义中的等熵功是由T0*出发的等熵线上 的相应点总温计算而得的，而各分级压气机效率定义中的等 熵功则是由各级的实际初始温度值Ti *计算的。显然，实际 过程终了的温度当然比对应于相同增压比和相同起始温度条 件下的等熵过程终了的温度为高。 目前：多级压气机的效率约为：0.88左右，如**燃气轮 机高、低压压气机效率分别为：0.8662和0.8666。
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2、 后面级，多级轴流压气机的后面级的工作条 件和特点跟第一级压气机完全不一样，其区别 为：
（1）气体流经压气机各级以后，总压总温大大提高，后面级压气机 一般不存在马赫数超限和叶栅堵塞问题。但是，压气机后面级的 叶片很短（后面级压气机轮毂比可高达0.85-0.90），因此二次流 和环壁附面层引起的损失非常严重。 （2）多级轴流压气机的后面级偏离设计工作点很远且为大的正攻角， 因而喘振首先发生在后面级压气机。 （3）由于通道环壁附面层是逐级加厚的，它所引起的轴向速度变形 问题愈往后愈严重。 （4）最后一级压气机和燃烧室相连，故最后一级压气机轴向速度较 低，在一定加功量前提下，后面级压气机的反力度容易偏大。
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由上图可以看出： 由单级压气机效率定义：
所以得：
所以多级效率为：
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二、多级效率与单级效率大小比较
多级压气机效率比各个分级的级效率（或诸分级的平均 级效率）低。
由上图可以看出： 式中： ——多级压气机的等熵压缩功 ——分别代表第1级、第2级和第3级 压气机的级增压比。 诸分级的等熵功之和为： 由于： 所以： 即： 即：
4、现代高涵道比风扇发动机的风扇压 气机流路示意图，低压压气机内外径 均大大增加，以增大切线速度。
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§7.5多级压气机气动参数的分配 一、轴向速度的变化规律
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二、轮缘功的分配规律 三、其他参数的分配规律（10条，自己看 书）
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主要内容 1、为什么采用多级压气机？ 2、多级轴流压气机的效率及参数。 3、附面层对多级压气机流量的影响。 4、多级压气机通道形式。 5、多级压气机设计过程中参数的选择。 学时 2学时

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为什么采用多级压气机？ 1、压比越高燃机效率越高。 2、单级压比较低，一般为1.3左右。
燃机循环T-S图
理想简单循环热效率
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§7.1多级轴流压气机设计概要 （一）多级轴流压气机气动设计的主要要求和设计 思想 尺寸小、重量轻、性能好、安全可靠是对压气机 的基本要求，在压气机的气动设计中上述要求可归 纳为：在保证压气机安全可靠工作的前提下（应有 足够的失速裕度等），使压气机具有高的级加功量 （因而压气机级数少、重量轻、轴向尺寸小），高 的流通能力（压气机径向尺寸小）和高效率。
二、轴向速度变化对速度三角形的影响
在端壁区，轴向速度因粘性而减 小，加功量加大
在中心区，轴向速度大于设计 值，加功量减小
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三、轮缘功修正系数（减功系数） 由于附面层引起的轴向速度变化而使得加工 量发生了变化，总的效果是使轮缘功降低。一般 考虑设计计算时增加加工量来加以修正。该修正 量叫做轮缘功修正系数。 KL范围为：第一级——0.97， 后面级——0.91。 所以，轮缘功Lu=lud/ KL.
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§7.4轴流压气机通流形式
1、等外径通道，其优点是各级 平均半径逐级加大，因而有利于 增加各级作功能力。 2、等内径通道，它适用于小流 量压气机，有利于增大后面级压 气机叶片的高度。 3、等中径通道，它是上述两种 方案的折衷。
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多级轴流压气机是由各个单级组成，所以就多级轴 流压气机的任何一个级而言，其基元级和级的气动设计 原理和单级的完全相同，这就是多级压气机和单级压气 机的共同点。 但是，许多个单级按照一定次序组成多级压气机以 后，由于各个级在流程中的位置不同，它们的几何尺寸 特征和进口参数是各不相同的，因而形成了多级轴流压 气机中各个级的特殊性。由于有这个特殊性，各级的参 数（包括加功量的分配、轴向速度的选定等）都有不同， 本节从多级轴流压气机设计及其工作特点两个方面加以 介绍和讨论。
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四、流量修正正系数
压气机设计中引用流量贮备系数Km进行环壁附面 层位移厚度修正，将通道环形面积放大到Km倍（Km1— 1.0），以保证各通道截面的平均轴向速度设计值。 现代压气机设计采用耦合环壁附面层的三元流场 计算方法，大大改善了压气机的性能，包括效率提高 和失速裕度增加。
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3. 中间级
由于中间级压气机的总温已经增高，一般不容易出 现马赫数超限问题。此外，中间级压气机的轮毂比也 适中，压气机效率较高，所以，在多级轴流压气机设 计中，一般在中间级压气机中分配的加功量最大（除 进口超、跨声级以外）。还应该指出，在发动机的非 设计状态下工作时，中间级压气机的速度三角形变化 较小，不易失速，效率高。