第5講 壓氣機

1、2 某渦噴發(fā)動機，當速度為某渦噴發(fā)動機，當速度為900km/h時，尾噴管中時，尾噴管中燃氣完全膨脹，尾噴管出口燃氣速度為燃氣完全膨脹，尾噴管出口燃氣速度為600m/s。忽。忽略燃油流量，求通過該發(fā)動機略燃油流量，求通過該發(fā)動機空氣的空氣的可用功可用功、推進功推進功和和排氣動能損失排氣動能損失，以及，以及發(fā)動機的推進效率發(fā)動機的推進效率。 3 將上題中的渦輪噴氣發(fā)動機改為涵道比為將上題中的渦輪噴氣發(fā)動機改為涵道比為1的渦輪的渦輪風扇發(fā)動機，其飛行速度和燃氣發(fā)生器的可用功相同風扇發(fā)動機，其飛行速度和燃氣發(fā)生器的可用功相同，忽略能量傳遞過程中的各種損失，可用功均勻分配，忽略能量傳遞過程中的各種損失，

2、可用功均勻分配給內外涵氣流，求通過該發(fā)動機給內外涵氣流，求通過該發(fā)動機推進功推進功和和排氣動能損排氣動能損失失，以及，以及發(fā)動機的推進效率發(fā)動機的推進效率?？捎霉捎霉ν七M功推進功動能損失動能損失推進效率推進效率q對氣流進行壓縮,提高壓力。q流通能力強、效率高、穩(wěn)定、重量輕q離心式 軸流式n葉輪的進口部分，為迎合氣流相對運動的速度方向，做成向旋轉葉輪的進口部分，為迎合氣流相對運動的速度方向，做成向旋轉方向前彎。工作輪葉片之間呈徑向輻射狀的通道，氣流通過工作方向前彎。工作輪葉片之間呈徑向輻射狀的通道，氣流通過工作輪增加速度和壓力。輪增加速度和壓力。n氣流從工作葉輪流出后，進入擴壓器。擴壓器與葉輪

3、之間有較大氣流從工作葉輪流出后，進入擴壓器。擴壓器與葉輪之間有較大的縫隙，氣流在縫隙中也起擴壓作用，故也稱縫隙擴壓器。的縫隙，氣流在縫隙中也起擴壓作用，故也稱縫隙擴壓器。n從擴壓器出來的氣流，進入集氣管進一步減速擴壓，然后進入燃從擴壓器出來的氣流，進入集氣管進一步減速擴壓，然后進入燃燒室。燒室。n軸向進氣，徑向排氣軸向進氣，徑向排氣n離心增壓離心增壓n優(yōu)點：優(yōu)點：l結構簡單、零件少結構簡單、零件少l工作可靠工作可靠l級增壓能力強級增壓能力強(6-12)l性能較穩(wěn)定性能較穩(wěn)定l軸向尺寸軸向尺寸n缺點：缺點：l效率低，迎風面大效率低，迎風面大n適合：適合：小推力級小推力級 n空氣通過壓氣機基本上沿

4、軸向流動，故稱軸流壓氣機空氣通過壓氣機基本上沿軸向流動，故稱軸流壓氣機 。n軸向進氣，軸向排氣軸向進氣，軸向排氣n優(yōu)點優(yōu)點：流通能力強、徑向尺寸小、效率高：流通能力強、徑向尺寸小、效率高n缺點缺點：結構復雜、級增壓能力小、軸向尺寸長、零件多：結構復雜、級增壓能力小、軸向尺寸長、零件多n適合：適合：高推力級、高速飛行飛機發(fā)動機高推力級、高速飛行飛機發(fā)動機n多級組成，每一級由工作輪與靜子組成。多級組成，每一級由工作輪與靜子組成。 工作輪（轉子工作輪（轉子：葉片、盤、軸：葉片、盤、軸 靜子（導向器靜子（導向器：葉片、機匣：葉片、機匣n轉子在前、靜子在后，交錯排列轉子在前、靜子在后，交錯排列 n分解分

5、解級級: 一排轉子葉片一排轉子葉片 + 一排靜子葉片一排靜子葉片 基元級基元級:以以ab為母線繞壓氣機軸旋轉為母線繞壓氣機軸旋轉所切割的壓氣機級稱為基元級所切割的壓氣機級稱為基元級 平面葉柵平面葉柵: 在平面上展開的基元級葉柵在平面上展開的基元級葉柵 n平面葉柵平面葉柵q動葉葉柵動葉葉柵q靜葉葉柵靜葉葉柵n截面編號截面編號q1 動葉進口動葉進口q2 動葉出口（靜葉進口）動葉出口（靜葉進口）q3 靜葉出口靜葉出口 1.葉型的幾何參數(shù)葉型的幾何參數(shù) 最大相對厚度Cmax及其相對位置e ：葉型中直徑最大的內切圓的直徑為Cmax，其圓心到葉型前緣的距離為e2.葉柵的幾何參數(shù)葉柵的幾何參數(shù) 在工程中，往

6、往應用在工程中，往往應用葉柵稠度葉柵稠度和幾何進口和幾何進口角角1K和幾何出口角和幾何出口角2K來表示。來表示。 3.氣流與葉柵相對關系的幾何參數(shù)氣流與葉柵相對關系的幾何參數(shù) 流入角1和流出角2：分別表示流入葉柵的氣流和流出葉柵的氣流與葉柵額線的夾角。攻角i：流入葉柵的氣流方向與葉型中弧線前緣切線之間的夾角。落后角：流出葉柵的氣流方向與葉型中弧線后緣切線之間的夾角。 氣流通過基元級時，轉子葉片給氣流作功加壓，使氣流在氣流通過基元級時，轉子葉片給氣流作功加壓，使氣流在基元級出口處總壓和總溫都比進口處高。基元級出口處總壓和總溫都比進口處高。 氣體在工作輪中得到切線氣體在工作輪中得到切線方向的加速度

7、，其加速方向與方向的加速度，其加速方向與工作輪運動方向相一致，這說工作輪運動方向相一致，這說明是工作輪葉柵對氣流作了機明是工作輪葉柵對氣流作了機械功。將工作輪出口氣流與進械功。將工作輪出口氣流與進口氣流相比較，不僅增加了動口氣流相比較，不僅增加了動能，而且靜焓能，而且靜焓h也增加了。也增加了。 用能量方程推導壓氣機壓縮功用能量方程推導壓氣機壓縮功 根據(jù)能量方程，在絕熱的條件下，外界加入氣體的功等于氣體靜焓增量及動能增量之和： 氣體靜焓增加是由于相對運動速度減小以及在旋轉坐標系中氣流所處半徑變化所致 用動量方程推導壓氣機壓縮功用動量方程推導壓氣機壓縮功工作輪相對于發(fā)動機只有旋轉運動而沒有軸向運動

8、，因此只有切向分力對氣體作功，軸向分力不對氣體作功。 單位時間內工作輪加于單位質量氣體的功 設計壓氣機時采用以上兩個公式計算壓氣機基元級葉柵對設計壓氣機時采用以上兩個公式計算壓氣機基元級葉柵對氣流所作的壓縮功，進而算出基元級可能達到的增壓比。氣流所作的壓縮功，進而算出基元級可能達到的增壓比。 通過測量壓氣機軸的扭矩和轉速來計算壓氣機功通過測量壓氣機軸的扭矩和轉速來計算壓氣機功測量壓氣機進、出口氣流的總溫，然后用下式計算測量壓氣機進、出口氣流的總溫，然后用下式計算 用此式計算，無論壓氣機效率高低，其結果用此式計算，無論壓氣機效率高低，其結果總是正確的總是正確的 為了降低燃氣輪機的耗油率，壓氣機的

9、增壓比需要不為了降低燃氣輪機的耗油率，壓氣機的增壓比需要不斷提高；為了減輕燃氣輪機的重量，希望盡量減少壓氣機斷提高；為了減輕燃氣輪機的重量，希望盡量減少壓氣機的級數(shù)。于是提高壓氣機各級增壓比就顯得十分重要。的級數(shù)。于是提高壓氣機各級增壓比就顯得十分重要。 只有增加壓氣機基元級對單位質量氣體所作的功，才只有增加壓氣機基元級對單位質量氣體所作的功，才能提高壓氣機基元級的增壓比。能提高壓氣機基元級的增壓比。 增加壓氣機基元級的切線速度可以增加加功量。但是增加壓氣機基元級的切線速度可以增加加功量。但是切線速度的增加，一方面受葉輪強度的限制；另一方面受切線速度的增加，一方面受葉輪強度的限制；另一方面受基

10、元級進口相對運動速度基元級進口相對運動速度w1的限制，的限制， w1過大會使基元級過大會使基元級效率降低。效率降低。 使使u2u1，可以增加壓氣機基元級的加功量。，可以增加壓氣機基元級的加功量。 目前實際使用的軸流壓氣機級增壓比一般在目前實際使用的軸流壓氣機級增壓比一般在1.151.35左右。為了進一步提高軸流壓氣機級增壓比，可以左右。為了進一步提高軸流壓氣機級增壓比，可以采用超聲級或跨聲級壓氣機。采用超聲級或跨聲級壓氣機。 n如果不對氣體作功，只靠減速增壓，壓力增加程度充其如果不對氣體作功，只靠減速增壓，壓力增加程度充其量等于來流總壓；量等于來流總壓；n動葉對氣體作功加入能量，增加絕對動能，

11、使氣流在其動葉對氣體作功加入能量，增加絕對動能，使氣流在其后的靜葉中有足夠的能量減速增壓；后的靜葉中有足夠的能量減速增壓；n排列順序：動葉在前，靜葉在后。排列順序：動葉在前，靜葉在后。n級增壓原理：級增壓原理：q動葉加功增速，同時靠擴張葉柵通道減相對速度，增加壓力；動葉加功增速，同時靠擴張葉柵通道減相對速度，增加壓力；q靜葉使在動葉中獲得能量的氣流，通過擴張葉柵通道減速增壓。靜葉使在動葉中獲得能量的氣流，通過擴張葉柵通道減速增壓。同時靜子還起導向作用將氣流引導到一定方向，為順利進入下同時靜子還起導向作用將氣流引導到一定方向，為順利進入下一級做準備。一級做準備。 如果壓氣機的某一級，沿葉高各基元

12、級進口相對速度如果壓氣機的某一級，沿葉高各基元級進口相對速度w1都是都是超聲速，那就稱為超聲速級。超聲速，那就稱為超聲速級。一般葉片靠近葉尖的部分，由于輪緣一般葉片靠近葉尖的部分，由于輪緣切線速度切線速度u較高，基元級進口相對速度為超聲速，而靠近葉根的部較高，基元級進口相對速度為超聲速，而靠近葉根的部分基元級進口相對速度仍是亞聲速，這樣的壓氣機級稱為跨聲速級分基元級進口相對速度仍是亞聲速，這樣的壓氣機級稱為跨聲速級。很多壓氣機的進口第一級屬于跨聲速級。很多壓氣機的進口第一級屬于跨聲速級。 由于出口處氣流相對速度由于出口處氣流相對速度w2減小，使工作輪葉柵出減小，使工作輪葉柵出口氣流絕對速度口氣

13、流絕對速度c2具有與工作輪旋轉方向相同的切線具有與工作輪旋轉方向相同的切線分速度分速度c2u，這說明超聲工作輪葉柵對氣體作了功。，這說明超聲工作輪葉柵對氣體作了功。 n工作輪葉柵出口氣流的絕對速度具有切線方向的分速工作輪葉柵出口氣流的絕對速度具有切線方向的分速度度c，因此工作輪后的氣流是一個強大的旋轉流場，因此工作輪后的氣流是一個強大的旋轉流場，在空氣的旋轉流場中，氣流參數(shù)沿葉高方向變化很大，在空氣的旋轉流場中，氣流參數(shù)沿葉高方向變化很大，這是由下述二個根本矛盾引起的：這是由下述二個根本矛盾引起的：n工作輪基元級的切線速度工作輪基元級的切線速度u沿葉高不相等，使得工沿葉高不相等，使得工作輪對氣

14、流所作的功沿葉高不相等。作輪對氣流所作的功沿葉高不相等。n工作輪后空氣旋轉流場中，必然產(chǎn)生徑向壓力差，工作輪后空氣旋轉流場中，必然產(chǎn)生徑向壓力差，半徑越大，靜壓越高，使氣體微團產(chǎn)生向心加速度。半徑越大，靜壓越高，使氣體微團產(chǎn)生向心加速度。n基元級葉柵形狀和氣流流入角沿葉高不同，因此軸流基元級葉柵形狀和氣流流入角沿葉高不同，因此軸流壓氣機的工作輪葉片和導流器葉片呈扭曲狀。壓氣機的工作輪葉片和導流器葉片呈扭曲狀。 n沿壓氣機軸向，隨氣體不斷被增壓，氣體密度加大，沿壓氣機軸向，隨氣體不斷被增壓，氣體密度加大，氣流通道逐級縮小，葉片變短。氣流通道逐級縮小，葉片變短。 壓氣機在工作時，氣壓氣機在工作時，

15、氣流進入葉片的流入角流進入葉片的流入角1一一般情況下與葉片的幾何進般情況下與葉片的幾何進口角口角1k不相一致，它們不相一致，它們的差值，稱為攻角，用的差值，稱為攻角，用i表示表示 氣流流出葉片的流出角氣流流出葉片的流出角2一般情況下與葉片一般情況下與葉片的幾何出口角的幾何出口角2k不相一致，它們的差值，稱為不相一致，它們的差值，稱為落后角，用落后角，用表示表示 如果壓氣機出口反壓如果壓氣機出口反壓，進入壓氣機的空氣流量減少進入壓氣機的空氣流量減少，使速度，使速度c下降時，攻角下降時，攻角i增增大。攻角過大時，氣流從葉大。攻角過大時，氣流從葉背分離，稱為背分離，稱為。失速可。失速可使壓氣機效率明

16、顯下降，甚使壓氣機效率明顯下降，甚至會使壓氣機出現(xiàn)不穩(wěn)定工至會使壓氣機出現(xiàn)不穩(wěn)定工作作(旋轉失速和喘振旋轉失速和喘振)。 壓氣機轉速一定，如果壓壓氣機轉速一定，如果壓氣機出口反壓氣機出口反壓，進入壓氣，進入壓氣機的空氣流量增加，使速度機的空氣流量增加，使速度c上升時，攻角上升時，攻角i下降，反壓下下降，反壓下降到一定程度后，可以使攻角降到一定程度后，可以使攻角為負值。當攻角負值過大，氣為負值。當攻角負值過大，氣流會從葉盆處分離，葉片通道流會從葉盆處分離，葉片通道被分離區(qū)所占，進入壓氣機的被分離區(qū)所占，進入壓氣機的空氣流量不再增加。空氣流量不再增加。 壓氣機某一級出現(xiàn)失速，并不是沿整個環(huán)面同時壓

17、氣機某一級出現(xiàn)失速，并不是沿整個環(huán)面同時發(fā)生，而是在部分葉片中某個部位上首先發(fā)生，而且發(fā)生，而是在部分葉片中某個部位上首先發(fā)生，而且失速區(qū)不是固定在這些葉片上。失速區(qū)相對于工作輪失速區(qū)不是固定在這些葉片上。失速區(qū)相對于工作輪葉柵向與旋轉方向相反的方向移動。如果在地面上觀葉柵向與旋轉方向相反的方向移動。如果在地面上觀察時，失速區(qū)附著在壓氣機工作輪上以較低的轉速、察時，失速區(qū)附著在壓氣機工作輪上以較低的轉速、相同的方向旋轉運動，故稱為相同的方向旋轉運動，故稱為。 失速區(qū)移動的原因是由于失速區(qū)把通道堵塞了一失速區(qū)移動的原因是由于失速區(qū)把通道堵塞了一部分，使一部分氣流向切線方向的前后分流，導致失部分，

18、使一部分氣流向切線方向的前后分流，導致失速區(qū)后面葉片的正攻角加大，失速區(qū)前面葉片及失速速區(qū)后面葉片的正攻角加大，失速區(qū)前面葉片及失速區(qū)葉片的攻角減小。于是失速區(qū)的葉片便解除了失速區(qū)葉片的攻角減小。于是失速區(qū)的葉片便解除了失速狀態(tài)而失速區(qū)后面的葉片產(chǎn)生了失速。于是失速區(qū)就狀態(tài)而失速區(qū)后面的葉片產(chǎn)生了失速。于是失速區(qū)就向葉片旋轉相反的方向移動向葉片旋轉相反的方向移動 。 喘振發(fā)生時，出現(xiàn)強烈的不穩(wěn)定工作現(xiàn)象：流過壓喘振發(fā)生時，出現(xiàn)強烈的不穩(wěn)定工作現(xiàn)象：流過壓氣機的氣流沿壓氣機的軸線方向產(chǎn)生低頻高振幅的強氣機的氣流沿壓氣機的軸線方向產(chǎn)生低頻高振幅的強烈振蕩，壓氣機出口平均壓力急劇下降，出口總壓、烈振

19、蕩，壓氣機出口平均壓力急劇下降，出口總壓、流量、流速產(chǎn)生大幅度脈動，并伴隨有強烈放炮聲。流量、流速產(chǎn)生大幅度脈動，并伴隨有強烈放炮聲。這種現(xiàn)象稱為壓氣機喘振這種現(xiàn)象稱為壓氣機喘振 多級軸流壓氣機，以下兩種情況易發(fā)生喘振多級軸流壓氣機，以下兩種情況易發(fā)生喘振 在一定轉速下工作時，若出口反壓增大，使空氣流量降低到一在一定轉速下工作時，若出口反壓增大，使空氣流量降低到一定程度時，就會出現(xiàn)喘振。定程度時，就會出現(xiàn)喘振。當發(fā)動機偏離設計工作狀況而降低轉速時容易發(fā)生喘振。當發(fā)動機偏離設計工作狀況而降低轉速時容易發(fā)生喘振。 從多級軸流壓氣機的某一個或數(shù)個中間截面放氣。當從多級軸流壓氣機的某一個或數(shù)個中間截面

20、放氣。當壓氣機轉速低于一定數(shù)值時將放氣門打開，其目的是為了壓氣機轉速低于一定數(shù)值時將放氣門打開，其目的是為了增加前幾級壓氣機的空氣流量，避免前幾級因攻角過大而增加前幾級壓氣機的空氣流量，避免前幾級因攻角過大而產(chǎn)生氣流分離。中間級放氣也避免了后幾級壓氣機進口流產(chǎn)生氣流分離。中間級放氣也避免了后幾級壓氣機進口流速過大，攻角過小，甚至為負值，使增壓比和效率降低的速過大，攻角過小，甚至為負值，使增壓比和效率降低的現(xiàn)象。現(xiàn)象。 旋轉一級或數(shù)級導流葉片。用這種方法防喘時，在第旋轉一級或數(shù)級導流葉片。用這種方法防喘時，在第一級壓氣機前面往往裝有進口導流葉片。一級壓氣機前面往往裝有進口導流葉片。 采用雙軸或三軸結構。采用雙軸或三軸結構。將壓氣機分成二個或三個轉子將壓氣機分成二個或三個轉子，分別由各自的渦輪來帶動，于是一臺高增壓比的壓氣機，分別由各自的渦輪來帶動，于是一臺高增壓比的壓氣機就成為二個或三個低增壓比的壓氣機。就成為二個或三個低增壓比的壓氣機。 壓氣機工況變化時，各主要參數(shù)壓氣機工況