叶轮机械原理-第三章课件

第三章轴流压气机的工作原理第四节基元级的速度三角形分析多级轴流压气机是由多个单级压气机串联组成，而其中每一个单级压气机又是由很多个基元级沿叶高叠加而成。压气机是通过无数个基元级实现对气体的加功和增压，基元级构成了轴流压气机的基础。第三章轴流压气机的工作原理第四节基元级的速度三1第三章轴流压气机的工作原理第三章轴流压气机的工作原理设计压气机从设计压气机的基元级开始，而设计基元级又是从确定基元级的气动参数开始。速度三角形中的主要参数对压气机基元级的加功、增压和低流阻损失等性能有着重要的影响。第三章轴流压气机的工作原理第三章轴流压气机的2第三章轴流压气机的工作原理速度三角形中的、、和的选取规律以及它们对基元级性能的影响。

(一)扭速的选取，增大扭速可以增大基元级的加功量。亚声速基元级

增加导致：增大；W2减小，逆压梯度增大；流动分离，动叶加功能力、效率和流量下降。第三章轴流压气机的工作原理速度三角形中的、3第三章轴流压气机的工作原理叶背流动分离

第三章轴流压气机的工作原理叶背流动分离4第三章轴流压气机的工作原理超、跨声速基元级，扭速是靠强烈的激波系获得。如果激波强度过大，激波本身的总压损失和激波－－附面层干涉损失严重，使得动叶的效率急剧下降。第三章轴流压气机的工作原理超、跨声速基元级，扭速5第三章轴流压气机的工作原理为了保证动叶的效率，无论亚声速还是超、跨声速基元级，都不能任意增大扭速。增大扭速还会使动叶出口速度增大，并且的方向很斜，增加了基元级静叶的设计难度。第三章轴流压气机的工作原理为了保证动叶的效率，无论亚6第三章轴流压气机的工作原理静叶进口气流速度大、方向斜带来的问题：气流在静叶中偏转角度大，减速、扩压大，易分离；出现超声速流动区域和激波，激波损失；流量易堵塞。第三章轴流压气机的工作原理静叶进口气流速度大、方向斜7

,提高动叶圆周速度u，可以增大动叶对气体的加功量;在相同的条件下，提高u，会增大w1，即增大Mw1。现圆周速度u可达500米/秒左右，Mw1在1.6～1.8；叶片材料的强度是限制u提高的因素之一。第三章轴流压气机的工作原理(二)动叶圆周速度u的选取,提高动8第三章轴流压气机的工作原理（三）动叶进口轴向速度c1a的选取

c1a影响压气机的迎风面积；过大的c1a易导致流动堵塞和流动损失增大，尤其是在动叶的根部区域（叶片密、叶片厚）；Ma超过0.75后，q(Ma)增大不明显；第三章轴流压气机的工作原理（三）动叶进口轴向速度c19第三章轴流压气机的工作原理（三）动叶进口轴向速度c1a的选取

美国民用发动机风扇/压气机的的选取值不超过0.50～0.55，军用发动机风扇/压气机的的选取值不超过0.60～0.65。第三章轴流压气机的工作原理（三）动叶进口轴向速度c110第三章轴流压气机的工作原理（四）动叶进口预旋速度的选取对气体在基元级中的流动和基元级的反力度有较大的影响，在设计时可根据需要灵活选取预旋速度。

（1）正预旋c1u（的方向与的方向相同）采用正预旋可有效降低动叶进口的相对

。第三章轴流压气机的工作原理（四）动叶进口预旋速度11第三章轴流压气机的工作原理(2)反预旋c1u（c1u的方向与u的方向相反）

在压气机设计时，通常安排动叶的加功量沿叶高分布基本相等，即Lu=u叶尖△wu叶尖＝u叶根△wu叶根，

△wu大，造成：基元级的反力度低；静叶进口的c2大，且斜；基元级静叶设计难度大。第三章轴流压气机的工作原理(2)反预旋c1u（c1u12第三章轴流压气机的工作原理采用反预旋，可以：提高基元级的反力度；减小静叶进口c2，改善进气方向；降低静叶设计难度。由于动叶根部的圆周速度u小，采用适当的反预旋，一般不会出现因动叶进口相对Mw1过大而带来的动叶效率急剧下降的问题。第三章轴流压气机的工作原理采用反预旋，可以：由于13第三章轴流压气机的工作原理第五节压气机平面叶栅流动

动叶和静叶的叶栅通道以及气流相对于动叶和静叶的流动都有着共同的特点：气流在沿流向扩张的通道中减速扩压流动；气流的角度发生偏转，由与轴向的夹角大，偏转到与轴向的夹角小。亚声速基元级第三章轴流压气机的工作原理第五节压气机平面叶栅流14第三章轴流压气机的工作原理可以用单独一排叶片来模拟气流在基元级中动叶或静叶中的流动，这种在平面上展开的模拟叶栅就是压气机平面叶栅。第三章轴流压气机的工作原理可以用单独一排叶片来15第三章轴流压气机的工作原理叶型表面座标:

选定中弧线（圆弧、抛物线、多项式等），将原始叶型（中弧线为直线的对称叶型）的厚度移植到中弧线曲线上，可得到叶型的表面座标。叶背表面也称为叶片吸力面，叶盆表面也称为叶片压力面。一、平面叶栅的几何参数

第三章轴流压气机的工作原理叶型表面座标:一、平面叶16第三章轴流压气机的工作原理

叶型几何参数

1.中弧线

2.弦长b

3.最大挠度fmax及其位置a和4.最大厚度cmax及其位置e

和5.叶型前缘角和后缘角6.叶型弯角，第三章轴流压气机的工作原理叶型几何参数117第三章轴流压气机的工作原理叶栅几何参数1.叶型安装角

2.栅距t3.叶栅稠度,4.几何进口角和几何出口角第三章轴流压气机的工作原理叶栅几何参数18第三章轴流压气机的工作原理二、平面叶栅中的流动

当叶栅进口比较高时（达到0.8左右），在叶栅通道内部就有可能出现局部超声速流动，这时的来流在气动上被称为临界。

前缘小圆的半径增大、叶型的最大厚度大和其位置靠近前缘、中弧线的挠度大和其位置靠近前缘等因素，都会使叶栅的临界减小。第三章轴流压气机的工作原理二、平面叶栅中的流动19第三章轴流压气机的工作原理叶片表面附近的马赫数分布

叶片表面静压分布

第三章轴流压气机的工作原理叶片表面附近的马赫数分布20（a）尾迹总压亏损（b）附面层分离（c）激波－－附面层干涉第三章轴流压气机的工作原理（a）尾迹总压亏损第三章轴流压气机的工作原理21激波－－附面层干涉激波－－附面层干涉22激波－－附面层干涉激波－－附面层干涉23第三章轴流压气机的工作原理叶栅出口平均气流角落后角第三章轴流压气机的工作原理叶栅出口平均气流角落后角24第三章轴流压气机的工作原理气体沿曲线流动时，所受离心力与从压力面到吸力面的压力梯度相抗衡，接近尾缘时，由于该压力梯度减小，气流趋向于靠近压力面一侧流动，叶型的弯角越大，这一倾向越明显，即落后角越大。

第三章轴流压气机的工作原理气体沿曲线流动时，所25第三章轴流压气机的工作原理在叶栅出口处叶片压力面与额线的夹角小于叶型中弧线与额线的夹角，因此，叶型尾缘附近的厚度也对落后角有较大的影响，叶片尾缘越厚，落后角越大。第三章轴流压气机的工作原理在叶栅出口处叶片压力26第三章轴流压气机的工作原理叶栅中的流动损失由以下各项组成：（1）附面层内气体的摩擦损失；（2）逆压梯度作用下的附面层分离损失，特别是激波－－附面层干涉会加重分离，导致分离损失急剧增加；（3）激波造成的总压损失；（4）尾迹损失（叶片两侧附面层在尾缘处脱体时产生的旋涡流动损失）和尾迹区与主流区的掺混损失。以上损失也称为叶型损失。第三章轴流压气机的工作原理叶栅中的流动损失由以下各项27第三章轴流压气机的工作原理三、平面叶栅的气动参数

1.进气角2.攻角3.落后角4.气流转角5.总压损失系数6.进口和出口7.静压增压比第三章轴流压气机的工作原理三、平面叶栅的气动参数128第三章轴流压气机的工作原理四、平面叶栅试验亚声速平面叶栅风洞第三章轴流压气机的工作原理四、平面叶栅试验亚声速平29第三章轴流压气机的工作原理平面叶栅攻角特性

不同攻角下的叶片表面气流分离

第三章轴流压气机的工作原理平面叶栅攻角特性不同攻角30第三章轴流压气机的工作原理平面叶栅攻角特性

特性1来流的攻角在设计攻角附近变化时，叶栅的出气角β2基本不变。特性2来流的攻角在设计攻角附近变化时，叶栅的总压损失也基本不变，并维持在较低水平。第三章轴流压气机的工作原理平面叶栅攻角特性特性131第三章轴流压气机的工作原理不同进口M1下的叶栅攻角特性

>0.6～0.7以后，随着进口马赫数的增大，低损失系数的攻角范围变窄。第三章轴流压气机的工作原理不同进口M1下32第三章轴流压气机的工作原理1.串列叶栅理论第二排叶片的附面层重新生成；第二排叶片的来流攻角变化不大；第一排叶片负荷轻，第二排叶片负荷可以重一些；串列叶栅在气流偏转角度比较大时，流动稳定性好，抗分离能力强。特殊叶栅理论第三章轴流压气机的工作原理1.串列叶栅理论第二排叶33第三章轴流压气机的工作原理2.轴流压气机大小叶片理论在转子通道的后半部分局部增加小叶片，增大转子的作功能力。Wennerstrom于七十年代提出，并进行了试验验证。九十年代以后，采用CFD技术进行优化设计。第三章轴流压气机的工作原理2.轴流压气机大小叶片理34第三章轴流压气机的工作原理第四节基元级的速度三角形分析多级轴流压气机是由多个单级压气机串联组成，而其中每一个单级压气机又是由很多个基元级沿叶高叠加而成。压气机是通过无数个基元级实现对气体的加功和增压，基元级构成了轴流压气机的基础。第三章轴流压气机的工作原理第四节基元级的速度三35第三章轴流压气机的工作原理第三章轴流压气机的工作原理设计压气机从设计压气机的基元级开始，而设计基元级又是从确定基元级的气动参数开始。速度三角形中的主要参数对压气机基元级的加功、增压和低流阻损失等性能有着重要的影响。第三章轴流压气机的工作原理第三章轴流压气机的36第三章轴流压气机的工作原理速度三角形中的、、和的选取规律以及它们对基元级性能的影响。

(一)扭速的选取，增大扭速可以增大基元级的加功量。亚声速基元级

增加导致：增大；W2减小，逆压梯度增大；流动分离，动叶加功能力、效率和流量下降。第三章轴流压气机的工作原理速度三角形中的、37第三章轴流压气机的工作原理叶背流动分离

第三章轴流压气机的工作原理叶背流动分离38第三章轴流压气机的工作原理超、跨声速基元级，扭速是靠强烈的激波系获得。如果激波强度过大，激波本身的总压损失和激波－－附面层干涉损失严重，使得动叶的效率急剧下降。第三章轴流压气机的工作原理超、跨声速基元级，扭速39第三章轴流压气机的工作原理为了保证动叶的效率，无论亚声速还是超、跨声速基元级，都不能任意增大扭速。增大扭速还会使动叶出口速度增大，并且的方向很斜，增加了基元级静叶的设计难度。第三章轴流压气机的工作原理为了保证动叶的效率，无论亚40第三章轴流压气机的工作原理静叶进口气流速度大、方向斜带来的问题：气流在静叶中偏转角度大，减速、扩压大，易分离；出现超声速流动区域和激波，激波损失；流量易堵塞。第三章轴流压气机的工作原理静叶进口气流速度大、方向斜41

,提高动叶圆周速度u，可以增大动叶对气体的加功量;在相同的条件下，提高u，会增大w1，即增大Mw1。现圆周速度u可达500米/秒左右，Mw1在1.6～1.8；叶片材料的强度是限制u提高的因素之一。第三章轴流压气机的工作原理(二)动叶圆周速度u的选取,提高动42第三章轴流压气机的工作原理（三）动叶进口轴向速度c1a的选取

c1a影响压气机的迎风面积；过大的c1a易导致流动堵塞和流动损失增大，尤其是在动叶的根部区域（叶片密、叶片厚）；Ma超过0.75后，q(Ma)增大不明显；第三章轴流压气机的工作原理（三）动叶进口轴向速度c143第三章轴流压气机的工作原理（三）动叶进口轴向速度c1a的选取

美国民用发动机风扇/压气机的的选取值不超过0.50～0.55，军用发动机风扇/压气机的的选取值不超过0.60～0.65。第三章轴流压气机的工作原理（三）动叶进口轴向速度c144第三章轴流压气机的工作原理（四）动叶进口预旋速度的选取对气体在基元级中的流动和基元级的反力度有较大的影响，在设计时可根据需要灵活选取预旋速度。

（1）正预旋c1u（的方向与的方向相同）采用正预旋可有效降低动叶进口的相对

。第三章轴流压气机的工作原理（四）动叶进口预旋速度45第三章轴流压气机的工作原理(2)反预旋c1u（c1u的方向与u的方向相反）

在压气机设计时，通常安排动叶的加功量沿叶高分布基本相等，即Lu=u叶尖△wu叶尖＝u叶根△wu叶根，

△wu大，造成：基元级的反力度低；静叶进口的c2大，且斜；基元级静叶设计难度大。第三章轴流压气机的工作原理(2)反预旋c1u（c1u46第三章轴流压气机的工作原理采用反预旋，可以：提高基元级的反力度；减小静叶进口c2，改善进气方向；降低静叶设计难度。由于动叶根部的圆周速度u小，采用适当的反预旋，一般不会出现因动叶进口相对Mw1过大而带来的动叶效率急剧下降的问题。第三章轴流压气机的工作原理采用反预旋，可以：由于47第三章轴流压气机的工作原理第五节压气机平面叶栅流动

动叶和静叶的叶栅通道以及气流相对于动叶和静叶的流动都有着共同的特点：气流在沿流向扩张的通道中减速扩压流动；气流的角度发生偏转，由与轴向的夹角大，偏转到与轴向的夹角小。亚声速基元级第三章轴流压气机的工作原理第五节压气机平面叶栅流48第三章轴流压气机的工作原理可以用单独一排叶片来模拟气流在基元级中动叶或静叶中的流动，这种在平面上展开的模拟叶栅就是压气机平面叶栅。第三章轴流压气机的工作原理可以用单独一排叶片来49第三章轴流压气机的工作原理叶型表面座标:

选定中弧线（圆弧、抛物线、多项式等），将原始叶型（中弧线为直线的对称叶型）的厚度移植到中弧线曲线上，可得到叶型的表面座标。叶背表面也称为叶片吸力面，叶盆表面也称为叶片压力面。一、平面叶栅的几何参数

第三章轴流压气机的工作原理叶型表面座标:一、平面叶50第三章轴流压气机的工作原理

叶型几何参数

1.中弧线

2.弦长b

3.最大挠度fmax及其位置a和4.最大厚度cmax及其位置e

和5.叶型前缘角和后缘角6.叶型弯角，第三章轴流压气机的工作原理叶型几何参数151第三章轴流压气机的工作原理叶栅几何参数1.叶型安装角

2.栅距t3.叶栅稠度,4.几何进口角和几何出口角第三章轴流压气机的工作原理叶栅几何参数52第三章轴流压气机的工作原理二、平面叶栅中的流动

当叶栅进口比较高时（达到0.8左右），在叶栅通道内部就有可能出现局部超声速流动，这时的来流在气动上被称为临界。

前缘小圆的半径增大、叶型的最大厚度大和其位置靠近前缘、中弧线的挠度大和其位置靠近前缘等因素，都会使叶栅的临界减小。第三章轴流压气机的工作原理二、平面叶栅中的流动53第三章轴流压气机的工作原理叶片表面附近的马赫数分布

叶片表面静压分布

第三章轴流压气机的工作原理叶片表面附近的马赫数分布54（a）尾迹总压亏损（b）附面层分离（c）激波－－附面层干涉第三章轴流压气机的工作原理（a）尾迹总压亏损第三章轴流压气机的工作原理55激波－－附面层干涉激波－－附面层干涉56激波－－附面层干涉激波－－附面层干涉57第三章轴流压气机的工作原理叶栅出口平均气流角落后角第三章轴流压气机的工作原理叶栅出口平均气流角落后角58第三章轴流压气机的工作原理气体沿曲线流动时，所受离心力与从压力面到吸力面的压力梯度相抗衡，接近尾缘时，由于该压力梯度减小，气流趋向于靠近压力面一侧流动，叶型的弯角越大，这一倾向越明显，即落后角越大。

第三章轴流压气机的工作原理气体沿曲线流动时，所59第三章轴流压气机的工作原理在叶栅出口处叶片压力面与额线的夹角小于叶型中弧线与额线的夹角，因此，叶型尾缘附近的厚度也对落后角有较大的影响，叶片尾缘越厚，落后角越大。第三章轴流压气机的工作原理在叶栅出口处叶片压力60第三章轴流压气机的工作原理叶栅中的流动损失由以下各项组成：（1）附面层内气体的摩擦损失；（2）逆压梯度作用下的附面层分离损失，特别是激波－－附面层干涉会加重分离，导致分离损失急剧增加；（3）激波造成的总压损失；（4）尾迹损失（叶片两侧附面层在尾缘处脱体