叶轮机械原理_第五章

1、1 第五章 轴流压气机性能特性 第第2次作业次作业 1，新讲义，新讲义P138，第，第10题：题： 一台高涵道比风扇，在标准海平面大气条件下一台高涵道比风扇，在标准海平面大气条件下 ，风扇流量为，风扇流量为360kg/s，风扇压比为，风扇压比为1.65，风扇效率为，风扇效率为0.89，风扇直径，风扇直径 1.6m，风扇转速为，风扇转速为n=5000r/min。 （1）计算传动这台风扇动力的功率数值；）计算传动这台风扇动力的功率数值； （2）按缩型比为）按缩型比为0.6缩型此风扇进行实验研究时，其动力原功率为多缩型此风扇进行实验研究时，其动力原功率为多 少千瓦？少千瓦？ （3）实验台动力必须达到

2、的转速是多少？）实验台动力必须达到的转速是多少？ 2，新讲义，新讲义P138，第，第6题：题： 用物理图画说明旋转失速的机理。用物理图画说明旋转失速的机理。 3，新讲义，新讲义P138，第，第7题：题： 简述喘振的物理全过程。为什么有时在发动机进入喘振时，压气机简述喘振的物理全过程。为什么有时在发动机进入喘振时，压气机 进口处会出现进口处会出现“吐火吐火”的现象？的现象？ 288 H Tk 2 101325/ H PN m 2 上节课内容回顾 对于几何相似的压气机，如果流动进入自模区，没有对于几何相似的压气机，如果流动进入自模区，没有 临界截面，流动相似需要满足：临界截面，流动相似需要满足：

3、压气机内流动相似，需要满足：压气机内流动相似，需要满足： 轴流压气机的等价相似准则轴流压气机的等价相似准则 000 /,/TnpTG 10) ( ua q， 10,ua MaMa 几何相似；运动相似；动力相似。几何相似；运动相似；动力相似。 进口进口Ma数相等（包括大小和方向）。考虑到动叶的旋转，数相等（包括大小和方向）。考虑到动叶的旋转， 需要保持进口需要保持进口Ma数、叶尖切线数、叶尖切线Ma数相等。数相等。 3 上节课内容回顾 v单级压气机的实验特性曲线单级压气机的实验特性曲线 v亚声速压气机亚声速压气机超跨声速压气机超跨声速压气机 4 上节课内容回顾 v多级轴流压气机在非设计工况下级间

4、的不协调性多级轴流压气机在非设计工况下级间的不协调性 若工作压比高于设计值，此时流道收缩太慢，轴向速若工作压比高于设计值，此时流道收缩太慢，轴向速 度逐级加速变小；度逐级加速变小； 若工作压比低于设计值，此时流道收缩太快，轴向速若工作压比低于设计值，此时流道收缩太快，轴向速 度逐级加速变大。度逐级加速变大。 zazzaaa cAcAcAcA 333222111 G 第第 一一 级级 第第 二二 级级 末末 级级 5 上节课内容回顾 v四类非设计工况分析四类非设计工况分析 zazzaa cAcAcA 222111 G const p n const c c n z a za 1 1 1 1 1

5、u c c a a z za za u c c 6 5.3 轴流压气机相似准则的应用 5.3 轴流压气机相似准则的应用轴流压气机相似准则的应用 v应用一：在进行压气机实验时，运用相似理论来减少应用一：在进行压气机实验时，运用相似理论来减少 驱动压气机运转所需要的功率驱动压气机运转所需要的功率 。 7 5.3 轴流压气机相似准则的应用 1，缩型实验，缩型实验 ua q，)( 0 )( 0 0 0 1a q T p KAG 1 1 1 11 1 Ap TG Ap TG 2 1 1 l K A A G G v所需实验台功率、转速的变化所需实验台功率、转速的变化 （1 1）确定相比较的对象；（）确定相

6、比较的对象；（2 2）相似准则的选取；）相似准则的选取； （3 3）确定相比较的截面。）确定相比较的截面。 * 1 T Dn K u l kD D n n1 1 1 1 * 1 T Dn K T Dn K 8 5.3 轴流压气机相似准则的应用 2，进口节流法实验，进口节流法实验 1 1 1 1 p TG p TG * 1 * 1 P P G G 000 /,/TnpTG v另一种减少实验压气机消耗功率的办法是关小压气另一种减少实验压气机消耗功率的办法是关小压气 机实验装置中的进气节流阀，使进入压气机的气体总机实验装置中的进气节流阀，使进入压气机的气体总 压降低，从而减少流量，减少消耗功率。压降

7、低，从而减少流量，减少消耗功率。 （1 1）确定相比较的对象；（）确定相比较的对象；（2 2）相似准则的选取；）相似准则的选取； （3 3）确定相比较的截面。）确定相比较的截面。 9 5.3 轴流压气机相似准则的应用 例题例题1、 风扇风扇/压气机缩型实验压气机缩型实验 v所设计的战斗机用小涵道比风扇，在标准海平面大气所设计的战斗机用小涵道比风扇，在标准海平面大气 条件下，风扇流量为条件下，风扇流量为105kg/s，风扇压比为，风扇压比为2.2，效率为，效率为 0.88，风扇直径，风扇直径900mm，转速为，转速为n=10500r/min。 v（1）进行缩型实验研究，相似准则必须满足哪些？）进

8、行缩型实验研究，相似准则必须满足哪些？ v（2）如果实验台动力功率最大仅能提供）如果实验台动力功率最大仅能提供2000千瓦，按千瓦，按 多少缩型比进行实验研究比较适宜？多少缩型比进行实验研究比较适宜？ v（3）实验台动力必须达到的转速是多少？）实验台动力必须达到的转速是多少？ 10 5.3 轴流压气机相似准则的应用 求解：求解： v（1）几何尺寸有变化，因此其相似准则应是）几何尺寸有变化，因此其相似准则应是 5 tt 102/DURe / adk LGP KWRT k k G k k 8717/ ) 1( 1 1 * 1 ua q，)( 0 11 1 2 60/ 1 2 RT k k nD R

9、T k k U u 11 1 0) ( PKA TG q a 同时必须满足雷诺数大于同时必须满足雷诺数大于2105 （2）原型所需耗费的功率为：）原型所需耗费的功率为： 11 5.3 轴流压气机相似准则的应用 求解：求解： （2）缩型所需耗费的功率为：）缩型所需耗费的功率为： KWRT k k GP k k 2000/ ) 1( 1 1 * 1 u Ma 2 1 1 l k A A G G 1 . 2 l k l t t k D D n n rpmn22050 （3）实验台所需达到的转速：）实验台所需达到的转速： 满足满足 的相似条件的相似条件 12 第五章 轴流压气机性能特性 例题例题2、

10、进口节流法进口节流法 v若例题若例题1中实验台的缩型比采用中实验台的缩型比采用1:2，其动力源功率，其动力源功率 仍然满足不了缩型实验的要求，此时采用进口节流仍然满足不了缩型实验的要求，此时采用进口节流 法的相似准则是什么？进口总压下降法的相似准则是什么？进口总压下降10%的时候实的时候实 验台实际消耗功率是多少？验台实际消耗功率是多少？ 13 5.3 轴流压气机相似准则的应用 求解：求解： （1）在几何尺寸不变时，节流法的相似准则是：）在几何尺寸不变时，节流法的相似准则是： k k k k RT k k GP/ ) 1( 1 1 1节流节流 00 / pTG 0 /Tn KWKWP19614

11、/87179 . 0 节流 （2）节流后所需耗费的功率为：）节流后所需耗费的功率为： （3）校验雷诺数的大小！）校验雷诺数的大小！ 14 5.3 轴流压气机相似准则的应用 v应用二：在性能优异的原型压气机上，运用相似理论应用二：在性能优异的原型压气机上，运用相似理论 来进行缩放、加零级设计来进行缩放、加零级设计 。 1，利用好的原型压气机进行缩放设计，利用好的原型压气机进行缩放设计 v一台性能良好的多级压气机可以按相似准则进一台性能良好的多级压气机可以按相似准则进 行放大或缩小，应用到所需要的新机种中去。行放大或缩小，应用到所需要的新机种中去。 v对于实验研究中的高性能新型压气机进行放大（由于

12、对于实验研究中的高性能新型压气机进行放大（由于 实验压气机尺寸多半较小）就可应用于新机种实验压气机尺寸多半较小）就可应用于新机种。 15 5.3 轴流压气机相似准则的应用 2，压气机，压气机“加零级加零级”设计设计 v所依赖的相似准则所依赖的相似准则 * 11 * 11 G TGT PP * 11 nn TT 在什么截面上应用上述相似准则？在什么截面上应用上述相似准则？ 16 5.3 轴流压气机相似准则的应用 例题例题3、 压气机加零级设计压气机加零级设计 v我院研制的我院研制的WP11的原型为美国的原型为美国J69发动机，该发动机发动机，该发动机 由一级轴流压气机和一级离心压气机组成，其轴流

13、压气由一级轴流压气机和一级离心压气机组成，其轴流压气 机是在原法国产小型发动机机是在原法国产小型发动机Marbore2上上“加零级加零级”而而 来。来。 v“加零级加零级”设计的相似准则是什么？设计的相似准则是什么？ v如果要把如果要把WP11改为小型涡扇发动机，请问在标准大改为小型涡扇发动机，请问在标准大 气进口条件下，若新的气进口条件下，若新的“零级零级” 级压比为级压比为2.0、效率为、效率为 0.88时，原压气机级转速提升多少？内涵空气流量能增时，原压气机级转速提升多少？内涵空气流量能增 大多少？大多少？ 17 5.3 轴流压气机相似准则的应用 求解：求解： v（1） “加零级加零级”

14、设计的相似准则是设计的相似准则是 * 11 * 11 G TGT PP * 11 nn TT 00 / pTG 0 /Tn 在什么截面上应用如下等式？在什么截面上应用如下等式？ 问：是否满足雷诺数大于问：是否满足雷诺数大于2105？ 18 5.3 轴流压气机相似准则的应用 求解：求解： （2）“零级零级”后的总温为：后的总温为： KTTT k k 351/ ) 1( 1 1 * 1 1 * 11 nn TT nn104. 1 GG81. 1 * 11 * 11 G TGT PP 满足相似准则所需达到的新转速、流量：满足相似准则所需达到的新转速、流量： 19 5.4 压气机的不稳定工况与扩稳 5

15、.4 压气机的不稳定工况与扩稳压气机的不稳定工况与扩稳 v不稳定工况的分类不稳定工况的分类 v压气机非稳定工况可以分为两大类。第一类属于气压气机非稳定工况可以分为两大类。第一类属于气 动弹性现象，这时叶片的振动属于自激振动，这种现动弹性现象，这时叶片的振动属于自激振动，这种现 象被称之为颤振。这种现象不在这里介绍。象被称之为颤振。这种现象不在这里介绍。 v第二类是单纯气动现象，它也会激发叶片的振动，但第二类是单纯气动现象，它也会激发叶片的振动，但 这种叶片振动性质属于他激振动。这种叶片振动性质属于他激振动。 v第二类非稳定工况又分为两种：一是旋转失速或称旋第二类非稳定工况又分为两种：一是旋转失

16、速或称旋 转分离；另一种是喘振现象。二者既有差别又有联系。转分离；另一种是喘振现象。二者既有差别又有联系。 20 5.4 压气机的不稳定工况与扩稳 一，旋转失速一，旋转失速 当转速一定而空气流量减少时，就会引起转子动叶攻角当转速一定而空气流量减少时，就会引起转子动叶攻角 的增加。空气流量减少到一定程度就能观察到不稳定流动，的增加。空气流量减少到一定程度就能观察到不稳定流动， 同时压气机发出特殊叫声，振动也增大。在转子后测得的同时压气机发出特殊叫声，振动也增大。在转子后测得的 流场表明，有一个或多个低速气流区以某一转速沿动叶旋流场表明，有一个或多个低速气流区以某一转速沿动叶旋 转方向转动，这种非

17、稳定工况被称为旋转失速。转方向转动，这种非稳定工况被称为旋转失速。 21 5.4 压气机的不稳定工况与扩稳 v 旋转失速现象的经典解释 率先出现分离区的叶片前面出现了明显的气流阻塞现象，率先出现分离区的叶片前面出现了明显的气流阻塞现象， 受阻滞的气流区使周围的流动发生偏转，从而引起左面叶受阻滞的气流区使周围的流动发生偏转，从而引起左面叶 片攻角增大并分离，同时引起右面叶片的攻角减小并解除片攻角增大并分离，同时引起右面叶片的攻角减小并解除 分离，因而分离区相对于叶片排向左传播，即相对转子叶分离，因而分离区相对于叶片排向左传播，即相对转子叶 片按照叶片旋转方向相反的方向转动。片按照叶片旋转方向相反

18、的方向转动。 站在绝对坐标系上观察，旋转失速团以比压气机转速为低站在绝对坐标系上观察，旋转失速团以比压气机转速为低 的速度，和压气机旋转方向相同作旋转运动。的速度，和压气机旋转方向相同作旋转运动。 22 5.4 压气机的不稳定工况与扩稳 v 失速的不同类型 有些情况下，失速团会贯穿整个叶高，这时，失速团通常有些情况下，失速团会贯穿整个叶高，这时，失速团通常 只有一个。这样的失速形态一般发展为突变性失速。突变只有一个。这样的失速形态一般发展为突变性失速。突变 型失速较多地产生在轮毂比较大的压气机中，由于叶片短，型失速较多地产生在轮毂比较大的压气机中，由于叶片短， 旋转失速一旦产生就可能波及整个叶

19、高旋转失速一旦产生就可能波及整个叶高 。 有时，失速团有多个，但每个失速团都没有贯穿叶高。其有时，失速团有多个，但每个失速团都没有贯穿叶高。其 失速形式称为部分展向失速。在一定的条件下，渐进型失失速形式称为部分展向失速。在一定的条件下，渐进型失 速也可以发展为突变型失速。速也可以发展为突变型失速。 23 5.4 压气机的不稳定工况与扩稳 旋转失速的主要特征：旋转失速的主要特征： v 旋转失速时，失速团沿压气机周向运动，造成周向不均匀流旋转失速时，失速团沿压气机周向运动，造成周向不均匀流 动，流场是非轴对称的；动，流场是非轴对称的； v 渐进型失速时，随流量降低，压气机的压升逐渐减小；渐进型失速

20、时，随流量降低，压气机的压升逐渐减小； v 突变型失速时，压升会发生突然的下降；突变型失速时，压升会发生突然的下降； v 旋转失速时，其气流脉动频率和脉动振幅与流路容积特性无旋转失速时，其气流脉动频率和脉动振幅与流路容积特性无 关，主要取决于压气机的工况（轴向速度和转速）。关，主要取决于压气机的工况（轴向速度和转速）。 v 危害：频率高、强度大，叶片疲劳断裂。危害：频率高、强度大，叶片疲劳断裂。 -0.50.00.51.01.52.02.53.03.5 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000-0.5 0.00.51.01.52.02.53.03.5 -3

21、000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 t 50 Hz Low Pass Filter on stall3_05315 stall_point Pstj 05-3-15 (Channel) 24 5.4 压气机的不稳定工况与扩稳 喘振喘振 v什么样的不稳定现象属于喘振？什么样的不稳定现象属于喘振？ v压气机的一类气动失稳现象，其流量和压升具有周压气机的一类气动失稳现象，其流量和压升具有周 期性的高振幅振荡，时而体现为非失速的正常流动，期性的高振幅振荡，时而体现为非失速的正常流动， 时而表现为低流量低压升的失速流动。时而表现为低流量低压升的失速流动。 v喘振发

22、生的物理机理喘振发生的物理机理 v流量减少，攻角增大，叶背全展向分离；流量减少，攻角增大，叶背全展向分离； v进出口流量调节的不匹配进出口流量调节的不匹配 v出口高反压的管路环境出口高反压的管路环境 v由于气流分离导致的增压能力的丧失，产生周期性的由于气流分离导致的增压能力的丧失，产生周期性的 倒流、解除分离、正常流动、分离、再倒流的循环过程。倒流、解除分离、正常流动、分离、再倒流的循环过程。 25 5.4 压气机的不稳定工况与扩稳 喘振的主要特征喘振的主要特征 v压气机出口总压和流量大幅度的波动；压气机出口总压和流量大幅度的波动； v压气机内部形成逆向的轴向流动；压气机内部形成逆向的轴向流动

23、； v发出音调低而沉闷的放炮声；发出音调低而沉闷的放炮声； v非常强烈的机械振动；转速不稳定。非常强烈的机械振动；转速不稳定。 v喘振时，其气流脉动频率和脉动振幅与流路容积特性喘振时，其气流脉动频率和脉动振幅与流路容积特性 相关，频率低、强度大。相关，频率低、强度大。 v只要具备一定的出口高反压管路系统，旋转失速基本只要具备一定的出口高反压管路系统，旋转失速基本 上会成为喘振的前奏。上会成为喘振的前奏。 26 5.4 压气机的不稳定工况与扩稳 失速裕度的定义失速裕度的定义 v流量稳定裕度流量稳定裕度 v增压比稳定裕度增压比稳定裕度 v综合稳定裕度的定义综合稳定裕度的定义 / .1100% /

24、ss dd G S M G v对于航空发动机用的压气机，一般情况，在设计转速下，对于航空发动机用的压气机，一般情况，在设计转速下， 压气机失速裕度应为压气机失速裕度应为1520%左右。左右。 27 5.4 压气机的不稳定工况与扩稳 压气机扩稳措施简介压气机扩稳措施简介 （1）气动设计中的扩稳措施）气动设计中的扩稳措施 v重点是考虑多级压气机的前面级和后面级重点是考虑多级压气机的前面级和后面级 v第一级动叶宽弦设计、机匣处理设计、大稠度第一级动叶宽弦设计、机匣处理设计、大稠度 v末级宽弦设计、大稠度、端弯设计、组合叶栅末级宽弦设计、大稠度、端弯设计、组合叶栅 v各级设计攻角的限制各级设计攻角的限制 v其它气动设计措施：如边界层吸附等。其它气动设计措施：如边界层吸附等。 28 5.4 压气机的不稳定工况与扩稳 v（2）压气机中间级放气）压气机中间级放气 29 5.4 压气机的不稳定工况与扩稳 v（3）可调进口导流叶片和静子叶片）可调进口导流叶片和静子叶片 30 第五章 轴流压气机性能特性 v（4）双转子压气机工作原理）双转子压气机工作原理 31 5.4 压气机的不稳定工况与扩稳 双转子压气机的工作原理双转子压气机的工作原理 v压气机的情况压气机的情况 v在低换算转速下工作时，压气机的前面级正攻在低换算转速下工作时，压气机的前面级正攻 角增大而后面级攻角减小，可能出现前喘