第5讲 压气机

1、2 某涡喷发动机，当速度为某涡喷发动机，当速度为900km/h时，尾喷管中时，尾喷管中燃气完全膨胀，尾喷管出口燃气速度为燃气完全膨胀，尾喷管出口燃气速度为600m/s。忽。忽略燃油流量，求通过该发动机略燃油流量，求通过该发动机空气的空气的可用功可用功、推进功推进功和和排气动能损失排气动能损失，以及，以及发动机的推进效率发动机的推进效率。 3 将上题中的涡轮喷气发动机改为涵道比为将上题中的涡轮喷气发动机改为涵道比为1的涡轮的涡轮风扇发动机，其飞行速度和燃气发生器的可用功相同风扇发动机，其飞行速度和燃气发生器的可用功相同，忽略能量传递过程中的各种损失，可用功均匀分配，忽略能量传递过程中的各种损失，

2、可用功均匀分配给内外涵气流，求通过该发动机给内外涵气流，求通过该发动机推进功推进功和和排气动能损排气动能损失失，以及，以及发动机的推进效率发动机的推进效率。可用功可用功推进功推进功动能损失动能损失推进效率推进效率q对气流进行压缩,提高压力。q流通能力强、效率高、稳定、重量轻q离心式 轴流式n叶轮的进口部分，为迎合气流相对运动的速度方向，做成向旋转叶轮的进口部分，为迎合气流相对运动的速度方向，做成向旋转方向前弯。工作轮叶片之间呈径向辐射状的通道，气流通过工作方向前弯。工作轮叶片之间呈径向辐射状的通道，气流通过工作轮增加速度和压力。轮增加速度和压力。n气流从工作叶轮流出后，进入扩压器。扩压器与叶轮

3、之间有较大气流从工作叶轮流出后，进入扩压器。扩压器与叶轮之间有较大的缝隙，气流在缝隙中也起扩压作用，故也称缝隙扩压器。的缝隙，气流在缝隙中也起扩压作用，故也称缝隙扩压器。n从扩压器出来的气流，进入集气管进一步减速扩压，然后进入燃从扩压器出来的气流，进入集气管进一步减速扩压，然后进入燃烧室。烧室。n轴向进气，径向排气轴向进气，径向排气n离心增压离心增压n优点：优点：l结构简单、零件少结构简单、零件少l工作可靠工作可靠l级增压能力强级增压能力强(6-12)l性能较稳定性能较稳定l轴向尺寸轴向尺寸n缺点：缺点：l效率低，迎风面大效率低，迎风面大n适合：适合：小推力级小推力级 n空气通过压气机基本上沿

4、轴向流动，故称轴流压气机空气通过压气机基本上沿轴向流动，故称轴流压气机 。n轴向进气，轴向排气轴向进气，轴向排气n优点优点：流通能力强、径向尺寸小、效率高：流通能力强、径向尺寸小、效率高n缺点缺点：结构复杂、级增压能力小、轴向尺寸长、零件多：结构复杂、级增压能力小、轴向尺寸长、零件多n适合：适合：高推力级、高速飞行飞机发动机高推力级、高速飞行飞机发动机n多级组成，每一级由工作轮与静子组成。多级组成，每一级由工作轮与静子组成。 工作轮（转子工作轮（转子：叶片、盘、轴：叶片、盘、轴 静子（导向器静子（导向器：叶片、机匣：叶片、机匣n转子在前、静子在后，交错排列转子在前、静子在后，交错排列 n分解分

5、解级级: 一排转子叶片一排转子叶片 + 一排静子叶片一排静子叶片 基元级基元级:以以ab为母线绕压气机轴旋转为母线绕压气机轴旋转所切割的压气机级称为基元级所切割的压气机级称为基元级 平面叶栅平面叶栅: 在平面上展开的基元级叶栅在平面上展开的基元级叶栅 n平面叶栅平面叶栅q动叶叶栅动叶叶栅q静叶叶栅静叶叶栅n截面编号截面编号q1 动叶进口动叶进口q2 动叶出口（静叶进口）动叶出口（静叶进口）q3 静叶出口静叶出口 1.叶型的几何参数叶型的几何参数 最大相对厚度Cmax及其相对位置e ：叶型中直径最大的内切圆的直径为Cmax，其圆心到叶型前缘的距离为e2.叶栅的几何参数叶栅的几何参数 在工程中，往

6、往应用在工程中，往往应用叶栅稠度叶栅稠度和几何进口和几何进口角角1K和几何出口角和几何出口角2K来表示。来表示。 3.气流与叶栅相对关系的几何参数气流与叶栅相对关系的几何参数 流入角1和流出角2：分别表示流入叶栅的气流和流出叶栅的气流与叶栅额线的夹角。攻角i：流入叶栅的气流方向与叶型中弧线前缘切线之间的夹角。落后角：流出叶栅的气流方向与叶型中弧线后缘切线之间的夹角。 气流通过基元级时，转子叶片给气流作功加压，使气流在气流通过基元级时，转子叶片给气流作功加压，使气流在基元级出口处总压和总温都比进口处高。基元级出口处总压和总温都比进口处高。 气体在工作轮中得到切线气体在工作轮中得到切线方向的加速度

7、，其加速方向与方向的加速度，其加速方向与工作轮运动方向相一致，这说工作轮运动方向相一致，这说明是工作轮叶栅对气流作了机明是工作轮叶栅对气流作了机械功。将工作轮出口气流与进械功。将工作轮出口气流与进口气流相比较，不仅增加了动口气流相比较，不仅增加了动能，而且静焓能，而且静焓h也增加了。也增加了。 用能量方程推导压气机压缩功用能量方程推导压气机压缩功 根据能量方程，在绝热的条件下，外界加入气体的功等于气体静焓增量及动能增量之和： 气体静焓增加是由于相对运动速度减小以及在旋转坐标系中气流所处半径变化所致 用动量方程推导压气机压缩功用动量方程推导压气机压缩功工作轮相对于发动机只有旋转运动而没有轴向运动

8、，因此只有切向分力对气体作功，轴向分力不对气体作功。 单位时间内工作轮加于单位质量气体的功 设计压气机时采用以上两个公式计算压气机基元级叶栅对设计压气机时采用以上两个公式计算压气机基元级叶栅对气流所作的压缩功，进而算出基元级可能达到的增压比。气流所作的压缩功，进而算出基元级可能达到的增压比。 通过测量压气机轴的扭矩和转速来计算压气机功通过测量压气机轴的扭矩和转速来计算压气机功测量压气机进、出口气流的总温，然后用下式计算测量压气机进、出口气流的总温，然后用下式计算 用此式计算，无论压气机效率高低，其结果用此式计算，无论压气机效率高低，其结果总是正确的总是正确的 为了降低燃气轮机的耗油率，压气机的

9、增压比需要不为了降低燃气轮机的耗油率，压气机的增压比需要不断提高；为了减轻燃气轮机的重量，希望尽量减少压气机断提高；为了减轻燃气轮机的重量，希望尽量减少压气机的级数。于是提高压气机各级增压比就显得十分重要。的级数。于是提高压气机各级增压比就显得十分重要。 只有增加压气机基元级对单位质量气体所作的功，才只有增加压气机基元级对单位质量气体所作的功，才能提高压气机基元级的增压比。能提高压气机基元级的增压比。 增加压气机基元级的切线速度可以增加加功量。但是增加压气机基元级的切线速度可以增加加功量。但是切线速度的增加，一方面受叶轮强度的限制；另一方面受切线速度的增加，一方面受叶轮强度的限制；另一方面受基

10、元级进口相对运动速度基元级进口相对运动速度w1的限制，的限制， w1过大会使基元级过大会使基元级效率降低。效率降低。 使使u2u1，可以增加压气机基元级的加功量。，可以增加压气机基元级的加功量。 目前实际使用的轴流压气机级增压比一般在目前实际使用的轴流压气机级增压比一般在1.151.35左右。为了进一步提高轴流压气机级增压比，可以左右。为了进一步提高轴流压气机级增压比，可以采用超声级或跨声级压气机。采用超声级或跨声级压气机。 n如果不对气体作功，只靠减速增压，压力增加程度充其如果不对气体作功，只靠减速增压，压力增加程度充其量等于来流总压；量等于来流总压；n动叶对气体作功加入能量，增加绝对动能，

11、使气流在其动叶对气体作功加入能量，增加绝对动能，使气流在其后的静叶中有足够的能量减速增压；后的静叶中有足够的能量减速增压；n排列顺序：动叶在前，静叶在后。排列顺序：动叶在前，静叶在后。n级增压原理：级增压原理：q动叶加功增速，同时靠扩张叶栅通道减相对速度，增加压力；动叶加功增速，同时靠扩张叶栅通道减相对速度，增加压力；q静叶使在动叶中获得能量的气流，通过扩张叶栅通道减速增压。静叶使在动叶中获得能量的气流，通过扩张叶栅通道减速增压。同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向，为顺利进入下同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向，为顺利进入下一级做准备。一级做准备。 如果压气机的某一级，沿叶高各基元

12、级进口相对速度如果压气机的某一级，沿叶高各基元级进口相对速度w1都是都是超声速，那就称为超声速级。超声速，那就称为超声速级。一般叶片靠近叶尖的部分，由于轮缘一般叶片靠近叶尖的部分，由于轮缘切线速度切线速度u较高，基元级进口相对速度为超声速，而靠近叶根的部较高，基元级进口相对速度为超声速，而靠近叶根的部分基元级进口相对速度仍是亚声速，这样的压气机级称为跨声速级分基元级进口相对速度仍是亚声速，这样的压气机级称为跨声速级。很多压气机的进口第一级属于跨声速级。很多压气机的进口第一级属于跨声速级。 由于出口处气流相对速度由于出口处气流相对速度w2减小，使工作轮叶栅出减小，使工作轮叶栅出口气流绝对速度口气

13、流绝对速度c2具有与工作轮旋转方向相同的切线具有与工作轮旋转方向相同的切线分速度分速度c2u，这说明超声工作轮叶栅对气体作了功。，这说明超声工作轮叶栅对气体作了功。 n工作轮叶栅出口气流的绝对速度具有切线方向的分速工作轮叶栅出口气流的绝对速度具有切线方向的分速度度c，因此工作轮后的气流是一个强大的旋转流场，因此工作轮后的气流是一个强大的旋转流场，在空气的旋转流场中，气流参数沿叶高方向变化很大，在空气的旋转流场中，气流参数沿叶高方向变化很大，这是由下述二个根本矛盾引起的：这是由下述二个根本矛盾引起的：n工作轮基元级的切线速度工作轮基元级的切线速度u沿叶高不相等，使得工沿叶高不相等，使得工作轮对气

14、流所作的功沿叶高不相等。作轮对气流所作的功沿叶高不相等。n工作轮后空气旋转流场中，必然产生径向压力差，工作轮后空气旋转流场中，必然产生径向压力差，半径越大，静压越高，使气体微团产生向心加速度。半径越大，静压越高，使气体微团产生向心加速度。n基元级叶栅形状和气流流入角沿叶高不同，因此轴流基元级叶栅形状和气流流入角沿叶高不同，因此轴流压气机的工作轮叶片和导流器叶片呈扭曲状。压气机的工作轮叶片和导流器叶片呈扭曲状。 n沿压气机轴向，随气体不断被增压，气体密度加大，沿压气机轴向，随气体不断被增压，气体密度加大，气流通道逐级缩小，叶片变短。气流通道逐级缩小，叶片变短。 压气机在工作时，气压气机在工作时，

15、气流进入叶片的流入角流进入叶片的流入角1一一般情况下与叶片的几何进般情况下与叶片的几何进口角口角1k不相一致，它们不相一致，它们的差值，称为攻角，用的差值，称为攻角，用i表示表示 气流流出叶片的流出角气流流出叶片的流出角2一般情况下与叶片一般情况下与叶片的几何出口角的几何出口角2k不相一致，它们的差值，称为不相一致，它们的差值，称为落后角，用落后角，用表示表示 如果压气机出口反压如果压气机出口反压，进入压气机的空气流量减少进入压气机的空气流量减少，使速度，使速度c下降时，攻角下降时，攻角i增增大。攻角过大时，气流从叶大。攻角过大时，气流从叶背分离，称为背分离，称为。失速可。失速可使压气机效率明

16、显下降，甚使压气机效率明显下降，甚至会使压气机出现不稳定工至会使压气机出现不稳定工作作(旋转失速和喘振旋转失速和喘振)。 压气机转速一定，如果压压气机转速一定，如果压气机出口反压气机出口反压，进入压气，进入压气机的空气流量增加，使速度机的空气流量增加，使速度c上升时，攻角上升时，攻角i下降，反压下下降，反压下降到一定程度后，可以使攻角降到一定程度后，可以使攻角为负值。当攻角负值过大，气为负值。当攻角负值过大，气流会从叶盆处分离，叶片通道流会从叶盆处分离，叶片通道被分离区所占，进入压气机的被分离区所占，进入压气机的空气流量不再增加。空气流量不再增加。 压气机某一级出现失速，并不是沿整个环面同时压

17、气机某一级出现失速，并不是沿整个环面同时发生，而是在部分叶片中某个部位上首先发生，而且发生，而是在部分叶片中某个部位上首先发生，而且失速区不是固定在这些叶片上。失速区相对于工作轮失速区不是固定在这些叶片上。失速区相对于工作轮叶栅向与旋转方向相反的方向移动。如果在地面上观叶栅向与旋转方向相反的方向移动。如果在地面上观察时，失速区附着在压气机工作轮上以较低的转速、察时，失速区附着在压气机工作轮上以较低的转速、相同的方向旋转运动，故称为相同的方向旋转运动，故称为。 失速区移动的原因是由于失速区把通道堵塞了一失速区移动的原因是由于失速区把通道堵塞了一部分，使一部分气流向切线方向的前后分流，导致失部分，

18、使一部分气流向切线方向的前后分流，导致失速区后面叶片的正攻角加大，失速区前面叶片及失速速区后面叶片的正攻角加大，失速区前面叶片及失速区叶片的攻角减小。于是失速区的叶片便解除了失速区叶片的攻角减小。于是失速区的叶片便解除了失速状态而失速区后面的叶片产生了失速。于是失速区就状态而失速区后面的叶片产生了失速。于是失速区就向叶片旋转相反的方向移动向叶片旋转相反的方向移动 。 喘振发生时，出现强烈的不稳定工作现象：流过压喘振发生时，出现强烈的不稳定工作现象：流过压气机的气流沿压气机的轴线方向产生低频高振幅的强气机的气流沿压气机的轴线方向产生低频高振幅的强烈振荡，压气机出口平均压力急剧下降，出口总压、烈振

19、荡，压气机出口平均压力急剧下降，出口总压、流量、流速产生大幅度脉动，并伴随有强烈放炮声。流量、流速产生大幅度脉动，并伴随有强烈放炮声。这种现象称为压气机喘振这种现象称为压气机喘振 多级轴流压气机，以下两种情况易发生喘振多级轴流压气机，以下两种情况易发生喘振 在一定转速下工作时，若出口反压增大，使空气流量降低到一在一定转速下工作时，若出口反压增大，使空气流量降低到一定程度时，就会出现喘振。定程度时，就会出现喘振。当发动机偏离设计工作状况而降低转速时容易发生喘振。当发动机偏离设计工作状况而降低转速时容易发生喘振。 从多级轴流压气机的某一个或数个中间截面放气。当从多级轴流压气机的某一个或数个中间截面

20、放气。当压气机转速低于一定数值时将放气门打开，其目的是为了压气机转速低于一定数值时将放气门打开，其目的是为了增加前几级压气机的空气流量，避免前几级因攻角过大而增加前几级压气机的空气流量，避免前几级因攻角过大而产生气流分离。中间级放气也避免了后几级压气机进口流产生气流分离。中间级放气也避免了后几级压气机进口流速过大，攻角过小，甚至为负值，使增压比和效率降低的速过大，攻角过小，甚至为负值，使增压比和效率降低的现象。现象。 旋转一级或数级导流叶片。用这种方法防喘时，在第旋转一级或数级导流叶片。用这种方法防喘时，在第一级压气机前面往往装有进口导流叶片。一级压气机前面往往装有进口导流叶片。 采用双轴或三轴结构。采用双轴或三轴结构。将压气机分成二个或三个转子将压气机分成二个或三个转子，分别由各自的涡轮来带动，于是一台高增压比的压气机，分别由各自的涡轮来带动，于是一台高增压比的压气机就成为二个或三个低增压比的压气机。就成为二个或三个低增压比的压气机。 压气机工况变化时，各主要参数压气机工况