叶轮机械原理

1、叶轮机械原理叶轮机械原理北京航空航天大学北京航空航天大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院流体机械系流体机械系二零零六年三月二零零六年三月第一章第一章 绪绪 论论 本课程的学习本课程的学习 作业（作业（40）、考试（）、考试（60） 教材：教材： 1 1）航空燃气轮机原理（上）航空燃气轮机原理（上） 彭泽琰、刘刚彭泽琰、刘刚 编著编著 国防工业出版社国防工业出版社 20002000年年2 2）叶轮机械原理（讲义）叶轮机械原理（讲义） 流体机械系流体机械系 编编 20062006年年第一章第一章 绪绪 论论 主要参考书：主要参考书： 1 1）船用燃气轮机轴流式叶轮机械气动热力学（原理、船用燃气

2、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，设计与试验研究），李根深、陈乃兴、强国芳，国防工业出版社，国防工业出版社，1980年年2 2）叶轮机械原理叶轮机械原理 舒士甄、朱力、柯玄龄、蒋滋康，舒士甄、朱力、柯玄龄、蒋滋康，清华大学出版社，清华大学出版社，19911991年年3 3）Cumpsty N.A., Compressor aerodynamics, Longman Scientific & Technical, 1989.第一章第一章 绪绪 论论 4 4）离心式压缩机原理离心式压缩机原理 徐忠，机械工业出版社，徐忠，机械工业出版社，1990

3、5 5）轴流压气机气动设计，秦鹏轴流压气机气动设计，秦鹏 译，译，NASA-SP-36，19656 6）泵与风机（第二版），泵与风机（第二版）， 郭立均，郭立均， 中国电力出版社，中国电力出版社，1997年年 7）叶轮机械叶轮机械-原理与结构，鲍尔，原理与结构，鲍尔，W.，1984年年6月第月第1版版 第一章第一章 绪绪 论论 一、叶轮机的广泛应用一、叶轮机的广泛应用 风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、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、涡轮空发动机中的风扇、压气机、涡轮 UDF on Bo

4、eing 727 test bedGP7200 for the Airbus A380T.O. Thrust 70,000 lbBypass ratio 8.7 to 1Fan Diameter 116 in (295 cm) 第一章第一章 绪绪 论论二、叶轮机的定义与分类二、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；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

5、方向，叶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。轮机分为两大类型。第一章第一章 绪绪 论论一种类型叶轮机的作用是将流体的机械能和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；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）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、螺和热能，这种叶轮机有：鼓风机、水泵、螺旋桨、风扇、压气机等。旋桨、风扇、压气机等。第一章

6、第一章 绪绪 论论三、叶轮机的主要形式三、叶轮机的主要形式 根据工质的流动形式，叶轮机分为轴流式、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，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上述三种形式中的任意两种的组合则称为混合式叶轮机。合式叶轮机。 第一章第一章 绪绪 论论（一）轴流式（一）轴流式轴流式压气机轴流式压气机 转子转子轴流式涡轮轴流式涡轮 转子转子第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论轴流泵轴流泵轴流式水轮机转子轴流式水轮机转子（二）径流式（二）径流式离心式压气机离心式压气机 转子转子 第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论图

7、 1.9 DA12061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、出气管第一章第一章 绪绪 论论离心式水泵离心式水泵向心式涡轮向心式涡轮第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论（三）斜流式（三）斜流式斜流式压气机斜流式压气机 转子转子混合式压气机混合式压气机第一章第一章 绪绪 论论第一章

8、第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论涡轮增压器涡轮增压器第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论四、气流在压气机和涡轮中的流动特点四、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，压气压气机一级的增压能力相对较小，压气机的级数多；机的级数多；第一章第一章 绪绪 论论 气流在涡轮中是从压力高的地方流向压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；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，涡轮的涡轮

9、一级的作功能力相对较大，涡轮的级数少；级数少；第一章第一章 绪绪 论论 多级压气机存在一个非常重要的问题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级与级之间的匹配问题第一章第一章 绪绪 论论五、叶轮机研究的意义五、叶轮机研究的意义 叶轮机与能源的消耗和能源的利用密切相关；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，研制各种类型的高效率、低消耗的叶轮机， 可为建设节约型社会做出重要贡献。可为建设节约型社会做出重要贡献。第一章第一章 绪绪 论论六、航空叶片机的发展概况六、航空叶片机的发展概况 航空叶片机发展到目前的水平，最主要的航空叶片机发展到目前的水

10、平，最主要的进步是在最近几十年取得的。进步是在最近几十年取得的。人类实现动力飞行梦想已人类实现动力飞行梦想已100100年，前四十年年，前四十年使用的是活塞式发动机。使用的是活塞式发动机。 19031903年年1212月月1717日，美国莱特兄弟把活塞发动机用日，美国莱特兄弟把活塞发动机用于飞行者于飞行者1 1号上，完成了世界上首次载人动力飞行。号上，完成了世界上首次载人动力飞行。第一章第一章 绪绪 论论 “飞行者飞行者”1 1号采用的活塞式发动机号采用的活塞式发动机第一章第一章 绪绪 论论 19301930年，英国人弗兰克年，英国人弗兰克惠特尔获得了燃气涡惠特尔获得了燃气涡轮发动机专利，这是

11、第一个具有实用性的喷气发动轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动机设计。机设计。但第一架喷气飞机（但第一架喷气飞机（He-178He-178）却出现在德）却出现在德国，于国，于19391939年年8 8月月2727日首飞。日首飞。The Second Jet Flight - Aug. 27, 1940Caproni-Campini CC-2British Gloster E.28/39 / Whittle W-1X jet engineThe Third Jet Flight - May 15, 1941第一章第一章 绪绪 论论 早期的航空叶片机（压气机、涡轮）的设早期的航空叶片机（压

12、气机、涡轮）的设计主要是依靠实验研究的手段。计主要是依靠实验研究的手段。2020世纪五十年代，中国旅美学者吴仲华先世纪五十年代，中国旅美学者吴仲华先生提出两个流面（生提出两个流面（S1和和S2 ）的理论，叶片）的理论，叶片机设计的理论计算研究开始取得突破性进展。机设计的理论计算研究开始取得突破性进展。第一章第一章 绪绪 论论S1和和S2流面流面S1流面流面第一章第一章 绪绪 论论S2流面流面第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论 20 20世纪世纪6060年代年代NovakNovak等人发展出了等人发展出了S S2 2流流面上的流线曲率法（流线迭代法）。面上的流线曲率法（流线迭代法）

13、。 流线曲率法将三维空间问题化简为流线曲率法将三维空间问题化简为S S2 2流流面上的准三维问题。面上的准三维问题。 补充两个模型方程（经验关系式）：补充两个模型方程（经验关系式）： 流动损失模型流动损失模型 和和 落后角模型落后角模型第一章第一章 绪绪 论论 20 20世纪世纪9090年代以后，计算流体力学年代以后，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。在叶轮机设计中所起的作用越来越大。 IHPTET计划（计划（19881988年年20032003年）年）（Integrated High Performance T

14、urbine Engine Technology , , 综合高性能涡轮发动机技术）综合高性能涡轮发动机技术） 第一章第一章 绪绪 论论 IHPTET计划要用计划要用1515年的时间实现过去年的时间实现过去4040 年所取得的进步年所取得的进步 推重比翻一倍，达到推重比翻一倍，达到15152020， SFC下降下降40405050。（Specific Fuel Consumption，单位燃油消耗率单位燃油消耗率）GE90 circa 199644:1 systempressure ratioFanBoosterHP (core)compressorComparison of CJ805 an

15、d GE90 Compressor SystemsCJ805 circa 196012.5:1 pressure ratio第一章第一章 绪绪 论论七、七、叶轮机械内部的复杂流动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（静叶和转子部分（动叶和轮毂）和静子部分（静叶和机匣）；机匣）； 早期的压气机叶型源于飞机翼型。迄今，叶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。上首先研究成功的成果。 第一章第一章 绪绪 论

16、论叶片绕流比飞机翼型绕流要复杂得多，直接沿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。叶轮机械本身的特殊性和复杂性。叶轮机内部流动的特殊性：叶轮机内部流动的特殊性：1 1）叶型不是孤立存在，它受到相邻叶型的影响；）叶型不是孤立存在，它受到相邻叶型的影响；2 2）叶轮机属于旋转机械，叶片从根到尖的展向）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；流动变化非常大；3 3）叶轮机通常存在内外环壁边界。）叶轮机通常存在内外环壁边界。 第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论

17、叶轮机内部流动的复杂性：叶轮机内部流动的复杂性： 1 1）流动的三维性）流动的三维性 ； 2 2）流体的可压缩性）流体的可压缩性 ； 3 3）流体的粘性）流体的粘性 ； 4 4）流动的非定常性。）流动的非定常性。 第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论八、八、叶轮机械内部复杂流动的简化叶轮机械内部复杂流动的简化 假设流动是定常的；假设流动是定常的； 假设流动是轴对称的；假设流动是轴对称的； 假定粘性作用主要在边界层中。假定粘性作用主要在边界层中。 第一章第一章 绪绪 论论九、叶轮机械设计过程简介九、叶轮机械设计过程简介 子午面流道的确定；子午面流道的确定； 子午面（或子午面（或S S2m2