叶片机原理课件C

1、 叶轮片机原理(yunl)与设计 飞行器动力工程专业(zhuny)教研室ZZIA 授课教师：马震宇共七十六页 航空叶片机原理 楚武利,刘前智,胡春波 主编 西北工业大学出版社， 2009年版。 作者：楚武利，1987年西安交大 硕士毕业后到西工大任教，教授， 博导，获部级科技进步奖两项， 获国家发明专利多项。在国内外 重要学术刊物上发表论文50多篇 ，被SCI、EI收录30多篇。所编 本书为本科(bnk)教材，详细易于学习。 教 材：ZZIA共七十六页 参考书 航空叶片机原理胡骏，吴铁鹰，曹人靖 主编国防工业出版社，2006年。作者：胡骏，1984年南航硕士毕业留校任教，教授，博导，主要从事叶

2、轮机非定常流基础理论和应用基础理论方面的研究，获省部级科研二等奖二项，出版专著两部。 “个人实在是太渺小了，能做的事也极其(jq)有限。要想多取得一点成绩，只有踏踏实实地干”ZZIA共七十六页 1 动叶对气流的加功 气流流过压气机动叶时，叶片对气流产生了作用力P(相对系中）。在绝对系中看，动叶运动方向u与P周向分力Pu方向一致(yzh)，所以旋转的动叶对气流做了功，实现了压气机与气流之间的能量交换传递。 图3-9第三章 轴流式压气机工作(gngzu)原理ZZIA四、基元级的增压原理共七十六页(参看(cnkn)气动书P75)此分量(fn ling)Fy即为上述的： 周向分力Pu共七十六页 动叶只

3、有周向旋转（切向）运动而无轴向运动，这样可通过动叶对气体的作用力，导出动叶对气流的做功计算式（在绝对系下）。 当 时，已知道在动叶栅坐标系中，由沿周向u的动量方程得到叶片对气体作用(zuyng)力P , 周向分量力为： 共七十六页 在绝对(judu)系中看，单位时间（1s)动叶沿周向移动距离为u1，故动叶单位时间对流量为m的气流所做功（即功率）为： 动叶对单位质量（每公斤）气体所做功为:（力速度(sd)）共七十六页 在 一般(ybn)情况，定常流动下Lu公式：共七十六页 该式又称为叶片机中的欧拉方程，表达了轮缘功（轮周功）与固体叶轮圆周线速度和运动气流切向分速度之间的关系，常用来：计算(j s

4、un)动轮产生的轮周功（或功率）；或者由需要的轮周功，确定动轮的圆周速度及气流切向分速！共七十六页共七十六页 公式表明: 动叶以圆周速度u旋转，动叶进口相对(xingdu)流速值与出口相对(xingdu)流速值的差即扭速wu大于0，动叶旋转加给了气体功，使气流能量增加，即动叶与气流之间实现了能量传递和交换。共七十六页 气体流过压气机后，压力提高幅度越大，表明气流从旋转动叶所获得的能量越多！ 增加动叶对气体做功量的途径有： 增加动叶圆周速度值u 提高扭速值wu 压气机的发展也正是沿着这个方向前进的。动叶叶尖圆周速度已由20世纪50年代(nindi)前的低于300 ms发展到今天的500ms左右，

5、而超跨声压气机级的采用使得扭速更有了显著提高。共七十六页 亚声速基元级 动叶进口速度w1和静叶进口速度c2都分别低于当地声速。 超声速基元级 w1和c2 中的一个或两者都高于当地声速。目前(mqin)实际使用的超声速基元级中，多数是w1高于当地声速、而c2不超过当地声速。 跨声速基元级 w1高于当地声速不多。 基元级的类别(libi)共七十六页2 亚声速基元级的扩压流动(lidng) 如图3-10亚声速基元级，气流以相对速度w1流入动叶叶栅，以相对速度w2流出，并通过轴向间隙(jin x)而流向静叶栅。 亚声气流流过设计的动叶叶栅的减速扩压原理间隙气流沿轴向流动（单独轴流式涡喷机转子烟流演示）

6、.flv共七十六页 W1与w2相比(xin b)， W1更偏向于圆周方向，w2更偏向于轴向，则两叶片之间过流断面构成的流道就是扩张形的，其出口面积A2R(垂直于出口气流方向的面积)大于进口面积A1R (垂直于进口气流方向的面积)。图3-10 可压缩亚声速气流流过扩张形通道时，速度降低，压力(yl)升高。故，气体流出动叶栅时相对速度W2w1，静压p2p1 。共七十六页( 压气机叶片由叶背向着叶盆面方向(fngxing)转动 )共七十六页( 压气机叶片(ypin)由叶背向着叶盆面方向转动 )共七十六页 叶型压强系数（相对(xingdu)系中） 叶背（手背，凸面）， 压强小，又称吸力面（）； 叶盆（

7、手心，凹面）， 压强大，又称压力面（+） 叶型重要性 关系到叶片(ypin)对气流的做功量，体现着叶片(ypin)上升力和阻力（风轴系），或者说，体现了叶片(ypin)对气流周向做功力和轴向挤进力（体轴系）。共七十六页 以上图中也画出了静叶栅通道的特征。与动叶叶栅类似(li s)，相邻叶片组成的静叶栅的过流通道面积也是逐渐增大的（出口A3R大于进口A2R）。气体流过静叶栅通道时，绝对流速c，静压p。 压气机叶栅的排列(pili)顺序：动叶在前，静叶在后共七十六页共七十六页 在动叶相对坐标系中，当u1=u2时,可压缩管流的机械能积分形式能量方程式为： 此式可说明实际气体流过动叶后，静压强升高的实

8、质： 气流通过(tnggu)扩张形动叶栅通道后，相对速度的动能减少，其减少的动能大部分转化为静压强的升高，一小部分用于克服粘性摩擦流动阻力。共七十六页 类似地，对静叶栅，用绝对坐标系下的机械能形式的能量(nngling)方程描述： 此式说明：气体流经静叶后，气流的绝对运动速度值减少，其减少的动能大部分转化为静压强的升高，一小部分用来克服粘性摩擦的流阻。共七十六页 设计压气机时，为加大动叶对气流做功量，通常希望增大圆周速度，同时希望加大c1a（可减少发动机迎风面积）。 根据速度三角形，此时动叶进口W1则相应增大. 当增大W1值超过当地(dngd)声速时，基元级即成为超声速基元级。3 超声速基元级

9、的扩压流动 以动叶进口气流相对速度是超声速、静叶进口绝对速度是亚声速的超声速基元级为例，进行讨论(toln)分析。共七十六页 通常超声速基元级设计动叶栅的通道是基本等直的，气流过通道后其流向也就基本不变。 气流在如此动叶栅中基本不转弯，那么(n me)气流能否获得加功和增压？共七十六页 进口超声速气流流到动叶进口时，叶片前缘附近将产生一脱体激波 ，且脱体激波部分(b fen)涌入到叶片间通道中（虚线表示）。超声速气流(qli)经过激波后，速度下降、静压升高共七十六页 由图看：气流对动叶作用压强(yqing)p的合力方向由叶盆指向叶背 ，因此动叶对气流作用力方向是由叶背指向叶盆，即是顺着动叶的旋

10、转方向，所以动叶对超音速气流也仍然实施了加功（做功）！激波后气流静压升高（增压(zn y)），用“十”号表示（激波前气流静压低，用“一”号表示）共七十六页 由图知：通常的超声速叶栅中，气流基本不转弯不变向，而仍然能够产生(chnshng)出扭速！并且来流马赫数越大，产生(chnshng)的扭速值也越大。 通常，超声速基元级的u和wu均比亚声速基元级的大，故加功量和级增压比也都比亚声速基元级的要大！共七十六页 亚声速基元级与超声速基元级 工作原理(yunl)对比共七十六页 亚声速基元级中，动叶旋转对气体做功加入能量时，一方面增加了气流的绝对速度（动能）和总压；另一方面，依靠弯曲和通道扩张的动叶叶

11、栅，迫使气流转弯、并减小相对流速使气流静压升高，由此完成了对气流的加功增速（绝对速度）和减速（相对速度）扩压。 超声速基元级中，旋转动叶叶栅一般采用非弯曲的叶片，因此气流方向改变不明显(mngxin)，它主要是利用激波来获得运动气流的扭速值，由此完成对气流的加功和增压。共七十六页 对于基元级中的静叶，使在动叶中获得足够能量（绝对动能）的气流，通过(tnggu)静叶栅扩张通道，有能量做减速（绝对速度）增压；同时它还起导向整流作用，将气流引到所需方向，以便顺畅地流入下一级。共七十六页 提醒：如果不对气体作机械功，仅靠气体自身以降低(jingd)相对流速来增压，那么，压力增大的程度充其量最大等于来流

12、的总压！ 机匣静叶动叶转子(zhun z) 对于跨声速叶栅，动叶中气流的减速扩压是通过激波与适当弯曲扩张通道二者共同作用而实现的。共七十六页 4 气体流过压气机级的参数变化规律 以压气机基元级工作原理(yunl)为基础，分析气体流过压气机动叶和静叶过程诸流动参数变化特点。 共七十六页 气体流过压气机级的参数变化规律如图（以平均半径上基元级参数为代表，并假设进出口平均半径相同）。 图中1-1为动叶进口(jn ku)截面，2-2为动叶出口和静叶进口(jn ku)截面，3-3为静叶出口截面。 图3-12 气流通过基元级时，动叶片对气流做功，使气流出口(ch ku)总压和总温都比进口值高。共七十六页

13、从基元级气流热力过程看，气体流经动叶后总温和总压均增加。 因流阻存在实际过程为熵增过程。与等熵过程相比，在p1*和p3*一定(ydng)情况下，实际消耗功Lu 大于理想等熵功Lad.k*。 共七十六页 实际压缩流动过程流阻损失越大，过程熵增量(zn lin)就越大，实际消耗功与等熵功之差就越大。 共七十六页 动叶出口气流与进口气流相比较(bjio)，不仅绝对动能增加了，其焓也增加了！ 转子动叶片对气体(qt)：增功（加功，做功）、增速(绝对速度）、增压（总压和静压）共七十六页5 基元级的反力度 不论对亚声速基元级还是超声速基元级，气流流过动叶和静叶时静压都得到提高。若给定(i dn)基元级压力

14、升高幅度p3p1是一定的，则为实现这个总静的增压比值，动叶和静叶的静压升高可以采用不同的分配比例（百分比）。 但是不可随意选取分配该比例来得到基元级总增压比p3p1 ！因该分配比例对基元级性能(效率等)有很大影响。 该分配比例通常用基元级反力度概念来表示。基元级静压升动叶的静压升静叶的静压升共七十六页共七十六页可表征和度量(dling)动叶中压能的转化程度！可表征度量静叶中压能的转化(zhunhu)程度气体流过基元级产生的压能转换的能量和为Lu 共七十六页基于此，定义（能量）反力度(ld)表达式如下： 动叶中用于压能转换的能量(nngling)占整个基元级用于压能转换的能量(nngling)的

15、比例值，描述了静压升在动叶栅和静叶栅中所占的分配份额比例（贡献量百分比）。共七十六页 压气机设计中，反力度参数是一个很重要的设计参数，必须慎重选择其大小。 若反力度值过大，表面气流在动叶中减速扩压任务过于繁重，将会导致动叶栅气动效率下降，从而基元级功效下降； 若值过小，表明气流在静叶栅中减速扩压任务过重，将导致静叶栅效率下降，从而也使基元级效率下降。 能量反力度定义严格，但用起来不够直观方便。下面导出运动(yndng)反力度表达式，其与速度三角形能体现出直接关系。共七十六页共七十六页（反力度(ld)过低）（反力度(ld)适当）共七十六页（反力度(ld)过低）共七十六页 6 基元级速度三角形参数

16、的确定 单级轴流压气机视为由无数个基元级沿半径方向叠加而成。压气机级对气流的加功和增压是通过每个基元级而实现的，基元级中气体流动特性是压气机流动规律的基础。 轴流压气机基元级气动设计 根据给定(i dn)原始设计条件和要求，设计出基元级速度三角形，然后配上合适的动叶和静叶栅，来保证实现预期希望的流动特性。共七十六页 要通过一定几何形状的基元级叶栅实现满足要求的气体流动，基元级速度三角形起到重要的桥梁作用！ 针对轴流压气机进口(jn ku)级的基元级速度三角形，分析如何设计基元级速度三角形，来满足压气机设计主要要求 迎风面积小、质量轻 和 效率高等。 注意：这些要求之间常是相互矛盾和制约的（如迎

17、风面积小和质量轻的要求常与效率高的要求相对立），所以设计时应优先满足关键技术指标，同时折中平衡其它设计要求！共七十六页 在 假设下，压气机基元级速度(sd)三角形就变成简化的速度(sd)三角形，决定它的4个主要参数是 。以下分析如何选取这4个参数来满足压气机设计要求及选取时应注意的问题。 (A) 进口轴向速度 在设计基元级速度三角形时，通常是首先选取压气机进口气流轴向分速度c1a 。 在给定压气机流量条件下，选取的c1a数值越大，压气机进口迎风面径向尺寸就越小。共七十六页 从满足压气机迎风面积小和质量轻的要求来讲，应该尽量选择(xunz)较大的c1a值。 然而，迎风面积小和质量轻的要求与效率高

18、的要求往往矛盾。 若c1a值选得过大的话，将导致流动损失很大，使效率降低；尤其动叶根部处叶栅稠度大、叶片厚， 过大的c1a将产生此处气流堵塞而损失大增。共七十六页无须(wx)不断地增加c1a 使其接近声速！共七十六页 c1a 数值(shz)大小对压气机效率影响很大 压气机设计时，美国选择 c1a 的原则通常是：对民用发动机的风扇和压气机，其气流轴向速度对应的马赫数取值不超过o.5o.55；对军用歼击机压气机或风扇，其进口级的气流轴向速度马赫数取值小于 o.6 o.65。 苏联歼击机用的发动机设计时,侧重追求小的迎风面积而宁可牺牲一点压气机效率，进口级气流轴向速度的马赫数取值大于 o.65。共七

19、十六页 我国设计研制的实践也表明(biomng)：进口级轴向马赫数值选取是非常关键的，超过o.65可导致压气机效率明显下降! （B）进 口 预 旋 20世纪50年代前，为减少动叶叶尖处进口相对气流马赫数，满足亚声速压气机的设计要求，通常采用正预旋设计(c1uo)。 动叶进口气流相对速度为:共七十六页 可见，当进口轴向速度和动叶旋转的圆周速度给定后，动叶叶尖采用正预选设计可有效降低进口相对气流速度。 但动叶根部附近的基元级因根部圆周速度u小，在加功量一定(ydng)前提下使得扭速很大。由下式知， c1u太大会使c2急剧增加，导致静叶根部进口气流马赫数过大，增加静叶栅设计难度。共七十六页 鉴于此，

20、在实际应用(yngyng)中，很多设计采用综合措施：尖部正预旋(c1u 0) + 根部反须旋(c1u 0). 20世纪50年代后期，随着超、跨声速压气机的出现，绝大部分超、跨声速压气机都采用零预旋设计(c1u o)，这样就无须(wx)配置进口导流片，使得压气机质量降低，轴向长度也较短。共七十六页 近年来，考虑到进口导流片对提高压气机抗流场畸变(jbin)能力很有好处，而且它还可用于变工况时压气机的调节，故有些型号的压气机又采用了有预旋值的设计。 以上也知，合适的c1u选值对基元级反力度值的控制也很有效，若采用反预旋设计就可解决压气机进口级根部反力度过小问题。共七十六页共七十六页共七十六页共七十

21、六页 （C）扭 速 为实现(shxin)轻量化，压气机级数应尽量少，这就要求增加基元级加功能力。先以亚声速基元级速度三角形为例进行分析。（在u、c1不变情况(qngkung)下）；（气流转角）；共七十六页 但使气流在扩张形通道中实现大的转角和转向是很不易的，需要付出很大代价气体(qt)在压气机叶栅中是顶着很大逆压力梯度流动的，当动叶型弯度和弯角过大时，叶背上气流就不能再贴附于壁面，出现流动分离现象，造成能量损失大增，图3-14。叶背表面(biomin)有一大块死水区和旋涡区，并一直延续到下游共七十六页 那么，对于超声速基元级，扭速是靠强激波系获得的。由于存在激波与附面层干扰，会导致附面层急剧增

22、厚和分离(fnl)，损失剧增。为保证动叶栅效率，扭速不能任意的增加。 由前面公式看出，在c1一定前提下，扭速过大会导致c2增加，即静叶栅进口马赫数增加，这对静叶栅流动损失有很大影响。所以，受静叶栅流阻损失也不能过大的限制条件，也是不能任意地增加扭速值的！共七十六页共七十六页共七十六页共七十六页 （D）圆周速度 由轮缘功公式知，提高圆周速度可增加Lu ，从而级增压比增加，压气机级数减少，压气机轴向尺寸缩短，质量减轻。近几十年来，压气机的发展也正是沿着该方向前进的。 早期亚声速压气机设计(shj)中，圆周速度受到动叶进口气流相对马赫数小于1的限制，故不能选取过大。20世纪50年代后期，设计(shj)出了适于高马赫数气流的超声速叶型，研制出了超跨声速压气机，叶轮圆周速度就有了大幅度的提高。共七十六页 当然圆周速度的选取(xunq)必须兼顾到结构强度的要求。与结构强度发生矛盾时，通常在气动设计方面作出一些技术让步，因为产品安全可靠是第一位的！共七十六页 C1a 动轮进口绝对速度纵轴向（转轴方向）分量(fn ling) C1a 流量m 当进口面积和气流状态一定时： C1a m 推力F 当流量一定时： 发动机迎风面积