第8次课压气机(1)

1、 航空发动机原理和结构航空发动机核心机压 气 机1 航空发动机原理和结构主要内容第一节 概述第二节 轴流式压气机工作原理第三节 压气机构造第四节 压气机附属装置第五节 离心式压气机2 航空发动机原理和结构一、压气机功用 对流过它的空气进行压缩，提高空气的压力，供给发动机工作时所需要的压缩空气。也可以为坐舱增压、涡轮散热和其他发动机的起动提供压缩空气。1、评价指标 增压比、效率、外廓尺寸和重量、工作可靠性、制造和维修费用。3第一节 概述 航空发动机原理和结构2、对压气机设计的基本要求： 1）满足发动机性能的各项要求，性能稳定，稳定工作范围宽；2）具有足够的强度、适宜的刚度和更小的振动；3）结构简

2、单，尺寸小，重量轻；4）工作可靠，寿命长；5）维修性、检测性好，性能制造成本比高。4 航空发动机原理和结构3、压气机分类离心式压气机空气在工作叶轮内沿远离叶轮旋转中心的方向流动。WP5轴流式压气机空气在工作叶轮内基本沿发动机的轴线方向流动。WP6，WP8，WP7， WP13，斯贝，斯贝混合式压气机。ALF5025压压气气机机基基本本类类型型 航空发动机原理和结构3、压气机分类 根据转子的数目：根据转子的数目： 单转子单转子WP6，WP8 双转子双转子WP7，WP13，斯贝，斯贝 三转子三转子 本课程主要研究轴流式压气机结构，对离心式和本课程主要研究轴流式压气机结构，对离心式和混合式只做一般介绍

3、。混合式只做一般介绍。 航空发动机原理和结构离心式优点： 具有结构简单、工作可靠、稳 定工作范围较宽、单级增压比高；缺点： 迎风面积大，难以获得更高的 总增压比。应用于教练机，导弹、靶机等的小型动力装置和飞机辅助动力装置中。7 航空发动机原理和结构8 航空发动机原理和结构9 航空发动机原理和结构具有增压比高，效率高，单位面积空气质量流量大，迎风面积小等优点，在相同的外廓尺寸下可获得更大的推力。轴流式10 航空发动机原理和结构11 航空发动机原理和结构12 航空发动机原理和结构混合式 在中、小型发动机上，轴流式和离心式组成混合压气机，发挥了离心压气机单级增压比高的优点，避免了轴流式压气机叶片高度

4、很小时损失增大的特点。13 航空发动机原理和结构14 航空发动机原理和结构第二节 轴流式压气机工作原理压气机的功用是为了提高气体的压力，为燃气膨胀做功创造条件，使燃料燃烧后发出的热能更好地被利用，提高发动机的热效率，改善经济性和增大发动机的推力。气体在压气机内进行的是压缩过程。在这个过程中，一方面要提高增压能力；另一方面要设法减少各种流动损失。 航空发动机原理和结构一、空气在轴流式压气机内的流动情形多级轴流式压气机是由若干个单机压气机组成的。如图6-1所示。由一排旋转的工作叶片所组成的轮子叫叶轮；由一排静止的整流叶片所组成的圆环叫整流环。一个叶轮和一个整流环组成轴流式压气机的一个单级，它是多级

5、轴流式压气机的基本单元。图61 多级轴流压气机 航空发动机原理和结构一、空气在轴流式压气机内的流动情形高增压比的轴流压气机通常由多级组成，其中每一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且每级的工作原理大致相同，可以通过研究压气机的一级来了解其工作原理。一级来了解其工作原理。 航空发动机原理和结构一、空气在轴流式压气机内的流动情形1、基本假设（1）空气流过压气机时，为绝热流动。（2）当压气机工作状态一定时，气体为稳定流动。（3）压气机同一截面上的各点参数

6、值相同。图62 基元级基元级 压气机同一截面上的实际流动情形沿叶高是稍有差别的，但以平均半径处的流动情况最具有代表性。为研究方便，将每一单级压气机分成3个截面，如图62所示。 航空发动机原理和结构一、空气在轴流式压气机内的流动情形:叶轮进口截面:整流环进口截面，即叶轮出口截面: 整流环出口截面，即后一级叶轮进口截面图62 基元级基元级级的外径级的外径Dt Dt 级的内径级的内径DhDh径向间隙径向间隙 轴向间隙轴向间隙 航空发动机原理和结构一、空气在轴流式压气机内的流动情形为更加清楚地认识轴流压气机如何对气体进行加功和增为更加清楚地认识轴流压气机如何对气体进行加功和增压的工作过程和原理，将轴流

7、压的工作过程和原理，将轴流式式压气机的一级作进一步的压气机的一级作进一步的分解和化简。化简的方法：用两个与压气机同轴并且半径分解和化简。化简的方法：用两个与压气机同轴并且半径相差很小的圆柱面，将压气机的一级在沿叶高方向截出很相差很小的圆柱面，将压气机的一级在沿叶高方向截出很小的一段，如图小的一段，如图6 63 3和图和图6 64 4所示。并将所得的切面展成所示。并将所得的切面展成平面，则成如图所示情形，这样的平面叫做平面，则成如图所示情形，这样的平面叫做“平面叶栅平面叶栅”。 航空发动机原理和结构一、空气在轴流式压气机内的流动情形图63 圆柱面上的基元级 图64 平面叶栅平面叶栅的形状是沿叶高

8、变化的，平面叶栅的形状是沿叶高变化的，把平均半径处的平面叫做把平均半径处的平面叫做“基元级基元级”。某级压气机平均半径处的圆周速度为某级压气机平均半径处的圆周速度为u u，则基元级转子的叶栅将以则基元级转子的叶栅将以u u的速度作等的速度作等速平移运动。速平移运动。 航空发动机原理和结构1 1）空气在工作叶栅内的流动情形）空气在工作叶栅内的流动情形 由于叶轮式以一定的转速作旋转运动，因此，气流流由于叶轮式以一定的转速作旋转运动，因此，气流流经叶轮时的运动情况比较复杂，其运动是质点的复合运动。经叶轮时的运动情况比较复杂，其运动是质点的复合运动。 根据运动速度分解与合成的的原理，质点的绝对运动根据

9、运动速度分解与合成的的原理，质点的绝对运动速度可看做由相对速度和牵连速度合成，即：速度可看做由相对速度和牵连速度合成，即： c=w+uc=w+u式中：式中：cc绝对速度，以大地为参照点，观察到得气流速度；绝对速度，以大地为参照点，观察到得气流速度；ww相对速速，以旋转的工作叶轮为参照点，观察到相对速速，以旋转的工作叶轮为参照点，观察到的空气流过工作叶轮的速度的空气流过工作叶轮的速度uu牵连速度，是以大地为参照点，观测到的工作叶轮牵连速度，是以大地为参照点，观测到的工作叶轮的旋转切向速度。的旋转切向速度。2 2、空气在基元级内的流动情形、空气在基元级内的流动情形 航空发动机原理和结构这3种运动速

10、度之间的关系可以用速度三角形表示为：wcu或cwu2 2、空气在基元级内的流动情形、空气在基元级内的流动情形1 1）空气在工作叶栅内的流动情形）空气在工作叶栅内的流动情形速度三角形 航空发动机原理和结构空气以绝对速度空气以绝对速度c c流入叶轮；而流入叶轮；而牵连牵连速度就是叶轮旋转的圆周速度，即平面速度就是叶轮旋转的圆周速度，即平面叶栅中以圆周速度叶栅中以圆周速度u u的大小作作等速直的大小作作等速直线运动的速度。因此，空气对叶轮的相线运动的速度。因此，空气对叶轮的相对速度是对速度是w w。空气以相对速度。空气以相对速度w w斜向斜向进入叶轮。进入叶轮。根据根据速度合成定理，相对速速度合成定

11、理，相对速度度w w是绝对速度是绝对速度c c与牵连速度与牵连速度u u的矢量的矢量差差： w w=c=c-u-u1 1）空气在工作叶栅内的流动情形）空气在工作叶栅内的流动情形 航空发动机原理和结构1 1）空气在工作叶栅内的流动情形）空气在工作叶栅内的流动情形 在压气机中，气流进入叶轮的三个在压气机中，气流进入叶轮的三个速度组成的三角型叫做叶轮速度组成的三角型叫做叶轮“进口速度进口速度三角型三角型”，夹角，夹角叫气流进口角。在叫气流进口角。在设计工作状态下，设计工作状态下，w w方向应与叶片前方向应与叶片前缘方向（即叶片的中弧线前缘切线方向）缘方向（即叶片的中弧线前缘切线方向）一致。空气以相对

12、速度一致。空气以相对速度w w进入叶轮后，进入叶轮后，经过由叶片组成的弯曲扩张型通道，流经过由叶片组成的弯曲扩张型通道，流动方向逐渐改变，相对速度逐渐减小，动方向逐渐改变，相对速度逐渐减小，最后顺着弯曲的叶片通道以相对速度最后顺着弯曲的叶片通道以相对速度w w自叶轮流出。自叶轮流出。 航空发动机原理和结构1 1）空气在工作叶栅内的流动情形）空气在工作叶栅内的流动情形 夹角夹角叫叫“气流出口角气流出口角”。由。由图可看出，图可看出，。根据质点复合。根据质点复合运动规律，空气在叶轮出口的绝对速运动规律，空气在叶轮出口的绝对速度度c c可以由下式求出：可以由下式求出：c c= =w wu u 由上式

13、中由上式中3 3个速度组成的三角型个速度组成的三角型叫做叶轮叫做叶轮“出口速度三角型出口速度三角型”。 航空发动机原理和结构 空气自叶轮流出，以绝对速度空气自叶轮流出，以绝对速度c流流向整流环，经过整流叶片组成的扩散通向整流环，经过整流叶片组成的扩散通道，便沿着叶片后缘以速度道，便沿着叶片后缘以速度c流出整流流出整流环，如图所示。环，如图所示。在一般情况下，速度在一般情况下，速度c的大小和方向大致与进口气流速度的大小和方向大致与进口气流速度c c相相同同。 cc2 2）空气在整流环内的流动情形）空气在整流环内的流动情形 航空发动机原理和结构3 3）级的速度三角形）级的速度三角形 将叶轮进、出口

14、速度三角形组合在一起，形成将叶轮进、出口速度三角形组合在一起，形成级的速度级的速度三角形三角形，如图所示。图上还用虚线画出了整流环出口气流速，如图所示。图上还用虚线画出了整流环出口气流速度度c c的大小，并标出了相对速度的切向变化量（的大小，并标出了相对速度的切向变化量（wwn n）和绝）和绝对速度的切线变化量（对速度的切线变化量（ccn n）。这种变化量称为空气在叶轮）。这种变化量称为空气在叶轮中的中的“扭速扭速”，即：，即： wwu u = w = wu uw wu u ccu u = w = wu uw wu u 式中式中W Wu u，W Wuu叶轮进出口相对叶轮进出口相对速度的切线方向

15、分速度；速度的切线方向分速度；C Cu u，C Cu u 叶轮进出口绝对速度叶轮进出口绝对速度的切线方向分速度；的切线方向分速度；由于叶轮进出口圆周速度相等，所以，由于叶轮进出口圆周速度相等，所以， Wu=CuWu=Cu 航空发动机原理和结构3 3）级的速度三角形）级的速度三角形 扭速是个很重要的物理量，它与压气机功和增压程度扭速是个很重要的物理量，它与压气机功和增压程度密切相关。密切相关。 气流以气流以w w方向流入通道，以方向流入通道，以w w方向流出，这是由于叶片强迫气流改方向流出，这是由于叶片强迫气流改变方向的结果，变方向的结果，w w与与w w之间形成的夹之间形成的夹角角称为称为气流

16、转折角气流转折角。它的大小等。它的大小等于气流出口角与气流进口角之差：于气流出口角与气流进口角之差：= 航空发动机原理和结构二、轴流式压气机的增压原理1 1、增压原理、增压原理 轴流式压气机主要是利用轴流式压气机主要是利用扩散扩散增压增压的原理来提高空气压力的。如的原理来提高空气压力的。如何使叶片所组成的通道作成扩散型何使叶片所组成的通道作成扩散型呢呢? ?就是将工作叶片和整流叶片的叶就是将工作叶片和整流叶片的叶型制成一定弯度，叶片出口安装角型制成一定弯度，叶片出口安装角大于叶片进口安装角，这样在叶片大于叶片进口安装角，这样在叶片进口和出口间距相等的情况下，叶进口和出口间距相等的情况下，叶片通

17、道出口面积就大于进口面积。片通道出口面积就大于进口面积。 航空发动机原理和结构二、轴流式压气机的增压原理1 1、增压原理、增压原理 亚音速气流流过扩张通道时，亚音速气流流过扩张通道时，速度减低，压力升高。基元级的叶速度减低，压力升高。基元级的叶栅通道均是扩张形的。气流栅通道均是扩张形的。气流参数的参数的变化是：在叶轮内绝对速度增大，变化是：在叶轮内绝对速度增大，相对速度减小，同时，相对速度减小，同时，总压、静压总压、静压和总温、静温都升高和总温、静温都升高; ;在整流器内，在整流器内，绝对速度减小，静压和静温提高，绝对速度减小，静压和静温提高，总压总压略有下降，总温保持不变。略有下降，总温保持

18、不变。 航空发动机原理和结构2 2、增压过程能量转换情形、增压过程能量转换情形增压过程实质是能量的转换过程。在这个过程中，增压与增压过程实质是能量的转换过程。在这个过程中，增压与流动损失是密切联系的。流动损失是密切联系的。动叶栅加给气流的机械功的大小取决于圆周速度动叶栅加给气流的机械功的大小取决于圆周速度u u和气流和气流的扭速的扭速ccu u。要提高压气机的增压能力，就需要提高基元。要提高压气机的增压能力，就需要提高基元级的机械外功级的机械外功 ，即增大，即增大u u和和ccu u。32*cl 航空发动机原理和结构气体流过单级叶轮时的伯努利方程：气体流过单级叶轮时的伯努利方程： 空气流经叶轮

19、时的空气流经叶轮时的相对速度减小，把相对速度减小，把 这部分动能用来克服叶轮内的流动损失和做这部分动能用来克服叶轮内的流动损失和做了多变功，使空气由压力了多变功，使空气由压力p p1 1提高到提高到p p2 2，温度也得到提高。，温度也得到提高。 损损Ldpww212221222221ww基元级中动叶的作用：基元级中动叶的作用：1.1.加功，加功，2.2.增压。增压。 航空发动机原理和结构 整流环的静叶将气流的方向重新偏转到接近轴向方向，整流环的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

20、的，亚声速气流在扩张的静叶流道中进一步减流向是扩张的，亚声速气流在扩张的静叶流道中进一步减速和增压。速和增压。 在整流环中，气流绝对速度减小，将绝对速度动能用在整流环中，气流绝对速度减小，将绝对速度动能用来克服整流环内的流动损失和做了多变压缩功；把空气的来克服整流环内的流动损失和做了多变压缩功；把空气的压力由压力由p p2 2提高到提高到p p3 3，温度也得到提高。，温度也得到提高。基元级中静叶的作用：基元级中静叶的作用：1.1.导向，导向，2.2.增压。增压。 损损Ldpcc322322234*气体流过整流环时的伯努利方程：气体流过整流环时的伯努利方程： 航空发动机原理和结构22221ww

21、 根据能量守恒和转换定律，上述两部分动能必然都来根据能量守恒和转换定律，上述两部分动能必然都来源于旋转的叶轮加给每千克空气的机械功，因此，单级压源于旋转的叶轮加给每千克空气的机械功，因此，单级压气机功的大小等于叶轮中相对动能改变量气机功的大小等于叶轮中相对动能改变量 与绝对与绝对动能改变量动能改变量 之和之和 。即：。即： 由此得出：单级压气机叶轮对空气做的压气机功，除由此得出：单级压气机叶轮对空气做的压气机功，除了在叶轮内将了在叶轮内将 相对运动动能用来克服流动损失及相对运动动能用来克服流动损失及提高压力外，同时还增大了空气的绝对运动动能，其增量提高压力外，同时还增大了空气的绝对运动动能，其

22、增量为为 。 35*22221ww22122cc2222212122wwcclic、22122cc 航空发动机原理和结构n在轴流式压气机的级中，空气增压的过程及其原因：在轴流式压气机的级中，空气增压的过程及其原因：外界通过工作叶轮上的动叶栅把一定数量的压缩轴功外界通过工作叶轮上的动叶栅把一定数量的压缩轴功lclc传递给流经动叶栅的空气，使气流的绝对速度动能增高，传递给流经动叶栅的空气，使气流的绝对速度动能增高，同时使气流的相对速度动能降低，以促使空气的压力得同时使气流的相对速度动能降低，以促使空气的压力得以增高一部分。以增高一部分。随后，由动叶栅流出的高速气流在整流环的扩压静叶栅随后，由动叶栅

23、流出的高速气流在整流环的扩压静叶栅中逐渐减速，这样就可以使气流绝对速度动能中的一部中逐渐减速，这样就可以使气流绝对速度动能中的一部分分(c(c2 22 2c c3 32 2)/2 )/2 进一步转化成为空气的压力势能，使气进一步转化成为空气的压力势能，使气体的压力进一步增高。体的压力进一步增高。36* 航空发动机原理和结构1 1）多级轴流式压气机的主要参数）多级轴流式压气机的主要参数（1 1） 轴流压气机的增压比轴流压气机的增压比压气机的增压比定义为压气机的增压比定义为 : :压气机出口截面的总压；压气机出口截面的总压； : :压气机进口截面的总压；压气机进口截面的总压；* * ：号表示用滞止参数（总参数）来定义。：号表示用滞止参数（总参数）来定义。 增压比的大小，说明在压气机内