叶片机原理课件C看

叶轮机原理与设计❏

飞行器动力工程专业教研室❏ZZIA❏授课教师：马震宇《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。所编本书为本科教材，详细易于学习。教 材:❏ZZIA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，能做的事也极其有限。要想多取得一点成绩，只有踏踏实实地干”❏ZZIA第三章 轴流式压气机工作原理压气机是航空燃气涡轮发动机的一个重要部件,其性能的优劣对发动机的工作和性能具有至关重要的影响。本章为轴流压气机的基本工作原理,将着重讲解压气机基元级及单级压气机的基本工作特性,介绍基元级、压气机级和多级压❏ZZIA一、轴流压气机组成与气动热力过程图3-1为一发动机的轴流压气机段纵剖面简图。压气机:转子（运动叶片/工作叶片/动叶，旋转部件）+静子（固定部件）（转轴上8个轮盘）（8级）一个工作轮 = 1个轮盘 + 若干工作叶片 图中压气机静子由前、中、后机匣和9排静子叶片构成。最前面的一排叶片称为进口导流环（这些叶片称为进口导流叶片）,其作用是改变进入压气机第一个工作轮前气流的方向。进口导流叶片不是压气机中不可缺少的部件,有的发动机上不装进口导流环,空气沿发动机纵轴方向直接进入第一个工作轮。图中导流环后共设置了8排不转动的静子叶片纵轴方向与动叶排相互间隔地排列布置。整流叶片固定在发动机机匣上,每一排整流叶片又称为整流器（环）。当发动机压气机工作时,气流流过交替排列的工作轮和整流器,最后流出末排整流器,沿纵轴线方向流入发动机燃烧室。除最前面第一个工作轮前的进口导流叶片以外,每一排动叶片后都紧跟着一排静叶片,重复多次。这样,每一排动叶与紧挨其后的一排静叶就构成了压气机的一个“级”。 在研究航空涡轮发动机的总体工作特性时,通常规定压气机段的进口截面（上游截面）为“1截面”,该段的出口截面（下游截面）记为“2截面”。在具体研究压气机工作时,习惯上将压气机工作轮的进口截面定义为“1截面”,工作轮的出口截面定义为“2截面”（也视为整流器的进口■由于多级轴流压气机是由单级逐级轴向结合而成的,所以气流在压气机中的增压是逐级进行的。气流经过压气机的压力（压强）逐级提高,气流密度也逐级加大。为了通过一定的空气质量流量,根据连续方程在逐级的气流纵轴向速度基本不变或变化较小的情况下,在压气机子午面(半径方向与纵轴向构成的度相适应。■■□压气机的作用在尽可能低的流阻损失条件下,对流过压气机的气流施加功（加功,给气体输入功）,以提高压气机出口气流的压力。从发动机热力循环角度说,在一定条件下,流过压气机的气流压强提高得越多,发动机的有效功和热效率也就愈高。当然,气流流动能量损失越小,发动机的热效率就越高。为了提高发动机的热效率,近几十年来,压气机的增压比有了很大提高。20世纪40年代的早期涡轮喷气发动机的增压比不过在3左右,而目前民用高涵道比涡轮风扇发动机压气机的总增压比已高达35-40,军用发动机压气机的总增压比也在20－30之间。□为什么压气机上要有转子和静于?它们为什么要交替排列?简单地讲，压气机中的动叶旋转将机械功(能量)传给了流过压气机的气流，并将一部分能量转变为气流的压力升高。而静叶将动叶加给气流的剩余能量继续转变为压力升高，并将气流导引至下一级动叶要求的进口方向。所以，压气机的动叶的后面总要配置静叶。□空气流过这样的压气机，压力为什么会增高？（后面讲此增压原理） □当气流流过压气机时，其状态参数和自身所具有的能量均发生了变化，应该采用哪些参数来描述气流所经历的这样一种气动热力过程？如何评价该过程的完善程度? 图3-2为一台多级轴流压气机简图。为分析时方便，规定压气机进口处的截面为1-1截面，出口处为K-K截面，这两个截面上的参数分别以下标“l”和“k”来表示。压气机的气动热力过程可用图3-3的焓熵图表示。其中,*表示对应于物理状态的滞止状态,下标ad表示理想等熵过程对应的状态,虚线表示等熵过气体流过压气机后,压力p1提高到pk,为此压气机消耗了机械功。如果压缩过程是无损失的等熵过程,压气机消耗的机械功最少；反之,流动损失越大,熵增也越大,压气机消耗的机械功也就越多。因此,利用气流压力升高的幅度以及实际消耗的功与等熵功的差别,即可了解气体流过压气机的气动热力过程及其完善程度。滞止压强和滞止温度在工程实际中易于测量,使用方便,故在气动热力计算和压气机实验研究中,常采用气流滞止参数定义和计算增压比、*·由于流阻损失的存在,压气机加给气体的机械功并没有全部用于增加气流的压力。由图示气体流经压气机的压缩过程看,若气流压缩过程等熵,即流动损失为零,则气流总压由进口1截面总压增大至出口k功和效率等参数。截面总压所需的压缩功为最小,称之为等熵功。这时,压气机加于气流的功全部用来增加气流的总压。对实际过程即有损失的熵增过程而言,实际过程加功量Lk线段要比 线段长。压气机的效率定义为:在进口滞止温度及增压比相同的条件下，压气机的等熵压缩功与实际加功量的比，即类似地也可根据转子的增压比来定义压气机转子(动叶)的效率:--注意:上面压气机效率的定义和计算公式既能用于总体上分析全台压气机的效率，也能够用于分析和计算压气机级与基元级的效率。二、轴流压气机的基元级为了得到较高的热循环效率，发动机要求压气机要有足够高的增压比，但轴流压气机的每一级的增压能力是有一定限度的。欲得到比较高的增压比，轴流压气机就必须做成多级的。■多级轴流压气机—非常复杂的机械由很多排的叶片组成,既有静止不动的叶片排,也有不断转动的叶片排,如果直接研究这样一个压气机内部气体的流动,难度可想而知。但是,一个复杂的事物往往都是由许多简单的事物所构成的。一个多级轴流压气机是由很多单个的“级”沿压气机轴线方向叠加起来的,每级压气机的结构是类似的,其工作的基本原理也是大致相同的。于是,为了研究多级轴流压气机对气流的加功和增压原理,可以先对一个“级”来进行分析。■如果掌握了单级压气机的增压原理,那么整个多级压气机的增压原理问题就解决了。图3-4所示为一个“级”的示意图。为了说明在级中气流参数的变化,在动叶和静叶的前后各取一个与回转轴相垂直的截面。习惯规定动叶前的截面为1一1截面,动叶后、静叶前的截面为2-2截面,静叶后的截面为3-3截面。这些截面上的气流参数分别用下标“1”、“2”、“3”表示。假定:压气机级增压比不高，或对多级轴流压气机的后面级而言，外径和内径值沿纵轴向变化不大，因此每个级中流线基本都按不同的圆柱面分布。然而，即使这样的一个单级，其中的气体流动也比一般的机械复杂。从工作轮的根部到尖部，圆周速度各不相同，气体在叶片所形成的槽道中流动，不同半径上的流层情况有所不同。共性包含于一切个性之中！虽然沿叶高不同半径处的流动情况不全相同,但工作原理是大体相仿的。只要研究了某一个半径处的气体增压原理,即可以了解单级乃至整个多级压气机增压原理的本质了。轮毂比:径向间隙:轴向间隙:用与压气机同轴的一个圆柱面对压气机的一个级进行剖切,就得到一个“基元级”（微元级）,如图3-5。每个基元级沿叶高的厚度都是很薄的,故每一级均可看成是由很多基元级沿径向叠加而成的,而每个基元级的工作原理大体相同。这样,可以把基元级的流动过程看做是压气机工作的缩影,以其中的某一个基元级为代表,对压气机的基本工作原理进行分析。用一个与级同轴的圆柱面与轴流压气机级相截,得到圆柱面上的两圈“环形叶栅”—若干个形状相同的叶型彼此以一定距离沿周向均匀排列.基元级是一个圆柱面,为便于分析,把圆柱面展开成为一个平面图3-6。 由图可见,展开成为平面的基元级中包括两一常排“平面叶栅”,上面的排是动叶栅,下面的一排是静叶栅。“平面叶栅”被作为研究压气机工作的基本研究单元。图3-6圆周切向型面多级轴流的简化简化过程第一步:由多级压气机到压气机的单（个）级简化条件——忽略级与级之间的相互干扰第二步:由单级到基元级简化条件——圆柱面流动假设三、基元级中气体流动特性■1坐标系:基元级包含两排叶栅，动叶栅以圆周速度u旋转工作,静叶栅固接于机匣壳体上。分析静叶栅中气体流动用绝对坐标系便利。研究动叶栅中穿行的气流,必须相对于动叶来分析气体微团的运动特性,这时选用随动叶一起运动的相对坐标系便利。如图,c表示观察者站在静止坐标系上看到的气流绝对流速,w表示假如观察者站在动叶上动叶的相对流速）,u表示度/切向速度/周向速度/理力上的刚体牵连运动速度)。所看到的气流速度（气体相对周向速度相对动叶栅转动的圆周速度(线速流速绝对流速量）2 气流与叶栅之间的关系□先分析气体如何流入动叶和静叶叶栅。以压气机放置在地面上为例,当启动工作动叶转起来时,其前面气流不断被抽吸进来。地面上人看到流入动叶的气流速度为c1（绝对）。动叶本身是以圆周速度u1旋转,若人站在动叶上随叶片一同转动(人处于相对坐标系上）,所看到的气流就不再（遵循矢量合成

或

分解的 或△规则）绝对运动

=相对运动

+

牵连运动

（向则是按相对速度w1的大小和方向流入动叶栅槽道的。因此,设计动叶栅的安装方位应是大致对准相对流速w1的,而不能对准绝对速度c1。在动叶出口处,气流相对流速为w,它影响着2其后静叶栅进口的气流速度。但是，气流并不是以W2.而是以c2流入静叶栅的。因此，静叶栅的设计安装方位应是大体对准气流绝对速度c2的.相对流速绝对流速C=W

+

U以绝对速度C1流向工作轮的气体微团,对工作轮来说是以相对速度W1流入工作轮叶栅的；经过叶栅通道后,再以相对速度W2流出。■分析动叶中的流动,必须使用相对速度W和相对加速度,对于静叶中的流动分析则使用绝对速度C。○相对坐标系下与绝对坐标系下物理参数的转换是经常遇到的问题。○向量的合成或分解用三角形法,联系W和C的速度三角形为常用工具。□在研究通过动叶和静叶叶栅的气流时,要经常变换坐标系,按不同坐标系来分析问题。因此,必须清楚哪些物理量随坐标系而变,哪些物理量又是与坐标系的变换无关。○（热力）状态参数或称静参数(p,ρ,T)表示的是微观分子热运动的结果,与涉及宏观运动的绝对坐标系和相对坐标系变换无关。即,不管采用何种坐标系,任一点处的气体静参数不受影响。○滞止参数或总参数(p*,ρ*,T*,h*)与它们与所选用的坐标系有关。比如以滞止焓为例,其物理意义是代表气流所具有的总能量—静焓和动能之和。而宏观动能是与微团运动速度直接关联的,对不同坐标系其动能值大小不同,从而滞止焓也不同。绝对总焓表达式:而相对总焓则为:■（c≠w )所以对控制体内流场中的某一点来讲,相对不同坐标系就会有不同的气流总参数。对于绝对坐标系为 ,对于相对坐标系□为便于分析计算基元级速度三角形中各参数,有必要以标量和分量形式来表达速度三角形诸参数之间的关系。将基元级中的气流速度向量w和c分解成纵轴向和圆周向两个方向的分速度,分别用脚注a（纵轴向,简称轴向）和u（周向,或切向）表示。一般用α表示c与u之间的夹角（绝对速度进气角）,β表示w与u之间的夹角（相对速度进气角）。通常把进口和出口速度三角形画于一起,称为基元级的速度三角形,如图3-7。图3-7■一般对轴流式来说,气流流过一个基元级时这时速度三角形如图3-8,称为简化（化简,近似）的基元级速度三角形。,w和c的周向分量变化很大，轴向分速值变化较小，尤其那些级增压比不高的亚声速级。因此，在进口和出口轴向分速差别不大条件下，可近似地认=c为:a图3-8

基元级速度三角形的简化图对于简化速度三角形,只要确定了其上4个参数,则基元级速度三角形即完全确定。一般基元级叶栅叶片设计成进口大致对准来流方向,设计基元级叶栅的叶片首先要知道基元级速度三角形。因此,通常选取这样4个与压气机设计