燃?xì)廨啓C(jī)各部件的工作原理（第一節(jié)壓氣機(jī)原理與特性）

1、燃?xì)廨啓C(jī)各部件的工作原理（第一節(jié) 壓氣機(jī)原理與特性）1主要內(nèi)容壓氣機(jī)的類型及特點(diǎn)壓氣機(jī)級的工作原理壓氣機(jī)的特性壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)23（一）壓氣機(jī)的類型及特點(diǎn) 1.壓氣機(jī)的作用 向燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室連續(xù)不斷地供應(yīng)高壓空氣。 2.壓氣機(jī)的類型 軸流式：Axial-flow Type Air Compressor 離心式: Centrifugal-flow Type Air Compressor 按機(jī)內(nèi)氣體總體流向分類4 軸流式5 離心式6通風(fēng)機(jī)（110 kPa) 鼓風(fēng)機(jī)（110400 kPa) 壓氣機(jī)（400 kPa) 按工作原理和構(gòu)造分類活塞式壓氣機(jī) 葉輪式壓氣機(jī)特殊引射式壓縮器 按壓

2、縮氣體壓力范圍分類7 軸流式壓氣機(jī)和離心式壓氣機(jī)性能比較比較項(xiàng)軸流式壓氣機(jī)離心式壓氣機(jī)氣流總體流向軸向徑向優(yōu) 點(diǎn)流量大、效率高（80%92%）級的增壓能力高（單級壓縮比高達(dá)4 4.5）缺 點(diǎn)級的增壓能力低（單級壓縮比1.151.35）流量小、效率低（75%85%）應(yīng)用場合大中型燃?xì)廨啓C(jī)小功率燃?xì)廨啓C(jī)8 3.軸流式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子 動葉片 葉輪或轉(zhuǎn)鼓 主軸靜子 靜葉片（導(dǎo)流葉片、靜葉） 氣缸 (機(jī)匣) 軸承9軸流式壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)壓氣機(jī)的級 由一列動葉片和緊跟其后的一列靜葉片構(gòu)成的壓氣機(jī)的基本工作單元。第一級10世界各大燃?xì)廨啓C(jī)公司采用的壓氣機(jī)制造廠GE發(fā)電ABB-AlstomSiemens三菱重工燃

3、機(jī)型號（系列號）MS9001FAMS9001G/HGT26V94.3AM701FM701G壓氣機(jī)型式、級數(shù)軸流 18級軸流 18級軸流 22級軸流 15級軸流 17級軸流 14級壓比15.423.23017172111壓氣機(jī)的發(fā)展趨勢提高壓比：單臺已達(dá)30以上提高通流量 大功率提高效率 提高經(jīng)濟(jì)性12（二）壓氣機(jī)級的工作原理 1.軸流式壓氣機(jī)的基元級 用假想的同軸圓柱面切割級的葉片排所到的高度無窮小的級。三個(gè)特征截面：級前1、級間2和級后313 2.葉型與葉柵的幾何和氣動參數(shù)葉型的幾何參數(shù) 葉型 型線 中弧線 弦長b 前后緣方向角 葉型的彎曲角葉型：葉片橫截面形狀。型線：葉型輪廓線，包括背弧型

4、線、內(nèi)弧型線及二者的連接圓弧線。中弧線：葉型型線所有內(nèi)切圓圓心的連線。弦長：型線在弦線方向的投影長度。外弦長b內(nèi)弦長中弧線兩端點(diǎn)的連線。前后緣方向角：葉型前、后緣點(diǎn)處中弧線的切線與外弦線間的夾角。葉型的彎曲角：表征葉型彎曲程度的角度。 = 1+ 2 14葉柵的幾何參數(shù) 葉柵前后額線 葉型安裝角p 柵距t 入口安裝角1j 出口安裝角2j葉柵前后額線：葉型前、后緣點(diǎn)的連線。葉型安裝角p ：外弦線與圓周方向的夾角。柵距t ：兩個(gè)相鄰葉型上同位點(diǎn)在圓周方向上的距離。入口安裝角和出口安裝角 ：葉型中弧線在前緣點(diǎn)和后緣點(diǎn)的切線與葉柵前、后額線的夾角。15主要?dú)鈩訁?shù) 進(jìn)出氣角1和2 進(jìn)口沖角 i =1j-

5、1 出口落后角 =1j-1 氣流轉(zhuǎn)折角 =2-1進(jìn)出氣角：氣流進(jìn)、出口相對流速與葉柵前、后額線的夾角。進(jìn)口沖角：葉柵的入口安裝角與氣流進(jìn)氣角之差。出口落后角：葉柵的出口安裝角與氣流出氣角之差。氣流轉(zhuǎn)折角：氣流出氣角與進(jìn)氣角之差。16 3.壓氣機(jī)基元級的速度三角形氣流的絕對速度、相對速度和圓周速度的矢量關(guān)系：17扭速：相對速度的圓周分量變化量。(反映外界對氣體做功量的大小。)18級中能量轉(zhuǎn)換計(jì)算動葉柵加功量(對單位質(zhì)量氣體) 4.壓氣機(jī)級中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系19靜葉柵（能量守恒）20級中增壓過程外界通過工作葉輪上的動葉柵將壓縮軸功傳遞給流過動葉柵的空氣，一方面使氣流的絕對速度升高，另一方面使氣流的相

6、對速度降低；氣流在流過動葉柵時(shí)的相對速度降低所釋放的動能，除一部分轉(zhuǎn)換為摩擦熱并為氣體吸收外，其余都轉(zhuǎn)換成氣體的壓力勢能，使氣體的壓力升高；氣流在流過靜葉柵時(shí)相對速度降低所釋放的動能，除一部分轉(zhuǎn)換為摩擦熱并為氣體吸收外，其余都轉(zhuǎn)換成氣體的壓力勢能，使氣體的壓力升高。21影響壓氣機(jī)級的增壓能力的因素（限制條件）葉片材料許用應(yīng)力（強(qiáng)度）的限制 圓周速度u不能過大葉柵氣動性能的限制 氣流轉(zhuǎn)折角不宜過大22 5.軸流式壓氣機(jī)的效率和能量損失理想壓縮功輸入的機(jī)械功能量損失壓氣機(jī)效率：23內(nèi)部損失 型阻損失（影響因素：葉型） a、葉柵表面附面層中產(chǎn)生的摩擦和脫離現(xiàn)象引起； b、葉片表出口尾跡中的渦流以及與

7、主流的摻混； c、在超音速氣流中發(fā)生的激波現(xiàn)象等引起的能量損失。 端部損失（影響因素：葉片高度）端部摩擦二次流損失 徑向間隙的漏氣損失（影響因素：動靜間隙大小、前后壓差和直徑大小等）外部損失 支持軸承和止推軸承上的機(jī)械摩擦損失； （相應(yīng)的減損措施：采用高效軸承、適當(dāng)潤滑等措施） 經(jīng)過高壓轉(zhuǎn)子軸端與機(jī)匣之間的間隙泄漏到外界去的漏氣損失。（相應(yīng)的減損措施：增設(shè)氣封裝置）壓氣機(jī)的能量損失24 1.壓氣機(jī)的特性與特性線流量特性： 在轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度一定時(shí)，壓比和等熵效率隨流量變化的關(guān)系，稱為壓氣機(jī)的流量特性。 壓氣機(jī)的流量特性線： 通過實(shí)驗(yàn)測定并作出的壓氣機(jī)流量特性曲線。 壓氣機(jī)的特性線組：

8、不同轉(zhuǎn)速下的壓氣機(jī)特性線繪在一起，所得到的曲線組，稱為壓氣機(jī)的特性線組。（三）壓氣機(jī)的特性25 2.單級軸流式壓氣機(jī)的特性線特點(diǎn) 每一轉(zhuǎn)速下的壓比均有一最大值（最大壓比點(diǎn)：左、右兩支）； 壓氣機(jī)的喘振 轉(zhuǎn)速不變，流量降低到一定值后，壓氣機(jī)內(nèi)的氣流軸向脈動引起的整臺機(jī)器的劇烈振動。 喘振邊界點(diǎn)：壓比不穩(wěn)定無法繪出時(shí)對應(yīng)的流量點(diǎn)。 喘振邊界線：各轉(zhuǎn)速下喘振工況點(diǎn)的連線。26特點(diǎn) 壓氣機(jī)的阻塞 轉(zhuǎn)速不變，流量增大到一定值后，壓比急劇下降，流量無法繼續(xù)增大的現(xiàn)象。 不同轉(zhuǎn)速下的壓比特性線形狀稍有不同，轉(zhuǎn)速越高，特性線越陡。注:效率隨流量變化的曲線組與壓比隨流量變化的曲線組特點(diǎn)大致相同。27 壓比隨流量

9、的變化情況（轉(zhuǎn)速不變）無損失時(shí)：級的壓比隨流量的增大而減小考慮摩擦損失時(shí)：單位質(zhì)量氣體的損失隨流量的增大而增大考慮考慮漩渦損失時(shí)：存在使壓比最大的最佳流量28 3.多級壓氣機(jī)的特性線特點(diǎn) 壓比隨流量變化一般不存在左支，喘振點(diǎn)出現(xiàn)在右支上； 壓比和效率隨流量變化的特性線較單級陡峭，高轉(zhuǎn)速下幾乎成垂線，導(dǎo)致其工作范圍變窄。29 4.壓氣機(jī)的通用特性線流量特性線的缺陷： 流量為自變量、轉(zhuǎn)速為參變量繪制的壓氣機(jī)流量特性線只適用于一定幾何尺寸和進(jìn)氣條件的壓氣機(jī)，若壓氣機(jī)尺寸或進(jìn)氣條件改變，需通過重新實(shí)驗(yàn)獲得特性線，應(yīng)用不便。通用特性線： 用壓氣機(jī)對應(yīng)的定性準(zhǔn)則數(shù)為自變量繪制出壓氣機(jī)的通用的壓比特性線和效

10、率特性線。“通用的”內(nèi)涵： 無論壓氣機(jī)的尺寸（幾何相似）、進(jìn)氣量和進(jìn)氣條件如何變化，該特性線都適用?！巴ㄓ玫摹备鶕?jù)： 根據(jù)相似原理，若對應(yīng)的定性準(zhǔn)則數(shù)彼此相等，則對應(yīng)的所有無因次參數(shù)都彼此相等。30壓氣機(jī)的定性準(zhǔn)則數(shù) 第一級動葉柵的進(jìn)口速度馬赫數(shù)和圓周速度馬赫數(shù)是壓氣機(jī)的兩個(gè)基本定性準(zhǔn)則數(shù)，其他任何與之成比例且相互獨(dú)立的無因次參數(shù)都可代替成為定性準(zhǔn)則數(shù)。某壓氣機(jī)通用特性線代替進(jìn)口速度馬赫數(shù)的定性準(zhǔn)則數(shù)代替圓周速度馬赫數(shù)的定性準(zhǔn)則數(shù)31（四）壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況典型的不穩(wěn)定工況失速喘振阻塞32 1.壓氣機(jī)的失速 (a)流量大于設(shè)計(jì)值 (b)流量小于設(shè)計(jì)值葉背的邊界層分離區(qū)易擴(kuò)大33葉柵的失速 葉柵

11、中體積流量減小時(shí)，葉柵背面邊界層發(fā)生嚴(yán)重脫離，以致脫離區(qū)占據(jù)大部分流道并引起流動損失急劇增大的現(xiàn)象，稱為葉柵的失速。 當(dāng)壓氣機(jī)的某一級或某列葉柵失速時(shí)，壓氣機(jī)就進(jìn)入失速狀態(tài)。葉柵失速的特征 一般先發(fā)生在葉柵的若干局部區(qū)域； 局部失速區(qū)不是靜止不動的，而是圍繞壓氣機(jī)葉輪的軸線，以低于葉輪的速度與葉輪同向旋轉(zhuǎn)； 失速區(qū)的圓周速度一般為葉輪圓周速度的20%80%，對多級軸流式壓氣機(jī)為40%60%。 在相對坐標(biāo)系中，失速區(qū)以相對速度u朝葉柵運(yùn)動的相反方向傳播。34葉柵失速區(qū)旋轉(zhuǎn)的機(jī)理 右側(cè)：沖角減小，流動改善，失速消除。左側(cè)：沖角增大，氣流分離，失速區(qū)逆葉柵運(yùn)動方向傳播。當(dāng)流量減小時(shí)，若葉片2的背部先

12、出現(xiàn)氣流分離，葉片2與3之間的流道將被部分堵塞，于是該流道前方將形成低速氣流區(qū)（停滯區(qū)），導(dǎo)致該停滯區(qū)附近的氣流改變流向。35旋轉(zhuǎn)失速的危害 旋轉(zhuǎn)失速出現(xiàn)后，葉片將受到周期性氣流激振力作用。當(dāng)激振力頻率等于葉片自振頻率時(shí)，葉片發(fā)生共振，嚴(yán)重時(shí)會使葉片表面出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。葉柵失速的種類 漸進(jìn)型失速 a、隨流量減小，失速先在一個(gè)或幾個(gè)葉片的葉尖處產(chǎn)生，然后沿徑向和周向擴(kuò)展；b、壓比、效率隨流量的減小而連續(xù)變化；c、葉圈中可有一個(gè)或多個(gè)對稱的失速區(qū)，多個(gè)失速區(qū)相互干擾，不穩(wěn)定性增加，常發(fā)生于葉片較長的級中。36突變型失速 a、當(dāng)流量減小到一定值時(shí)，沿著葉片的整個(gè)高度幾乎同時(shí)出現(xiàn)失速，而后迅速向周向

13、擴(kuò)展； b 、壓氣機(jī)特性線上表現(xiàn)為：壓比隨流量發(fā)生突躍性變化； c 、葉圈中只有12個(gè)失速區(qū)，常發(fā)生于葉片較短的級中； d 、突變型失速的出現(xiàn)和消失具有一定的滯后性；受到的激振力比漸進(jìn)型失速時(shí)大得多，也更危險(xiǎn)。37壓氣機(jī)喘振的特征 壓氣機(jī)的流量時(shí)增時(shí)減； 壓力忽高忽低； 整個(gè)機(jī)組劇烈振動并伴隨特有轟鳴聲。壓氣機(jī)喘振的原因 內(nèi)因（根本原因和必要條件） 壓氣機(jī)失速； 外因 壓氣機(jī)下游存在容積較大的管網(wǎng)部件。 2.壓氣機(jī)的喘振 38喘振與失速的區(qū)別 比較項(xiàng)失速喘振穩(wěn)定性問題壓氣機(jī)本身的氣動穩(wěn)定性問題壓氣機(jī)與其管網(wǎng)組成的整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題壓氣機(jī)總流量不變時(shí)增時(shí)減氣流脈動作用有一個(gè)或幾個(gè)低速區(qū)圍繞壓氣

14、機(jī)軸線旋轉(zhuǎn)，葉柵周向各處葉片輪流受到氣流周向脈動作用葉柵周向各處葉片同時(shí)受到氣流軸向脈動作用氣流脈動的影響因素氣流周向脈動的頻率和振幅與葉柵本身幾何參數(shù)和轉(zhuǎn)速相關(guān)氣流軸向脈動的頻率和振幅與管網(wǎng)容量大小相關(guān)39 3.壓氣機(jī)的阻塞阻塞的特征 壓氣機(jī)流量無法進(jìn)一步增加； 壓比及效率大幅度降低。阻塞的產(chǎn)生原因單級壓氣機(jī)阻塞的原因高轉(zhuǎn)速下的聲速阻塞 即氣流流速達(dá)到聲速，流量達(dá)到最大臨界值，形成氣流阻塞。低轉(zhuǎn)速下的邊界層脫離阻塞 即由于氣流負(fù)沖角較大，動葉柵腹面上出現(xiàn)嚴(yán)重的氣流分離，使出口通流面積減小而發(fā)生阻塞。40多級壓氣機(jī)阻塞的原因高轉(zhuǎn)速下的聲速阻塞 （阻塞機(jī)理同單級壓氣機(jī)的阻塞機(jī)理） 。低轉(zhuǎn)速下的聲

15、速阻塞 末幾級由于受流量增大和前幾級壓比降低、氣流密度減小的雙重影響，氣流速度仍然增加較大并可能達(dá)到聲速，從而導(dǎo)致聲速阻塞。常用的防喘措施： (1)中間放氣 (2)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉 (3)分軸壓氣機(jī)41 4.壓氣機(jī)的防喘出發(fā)點(diǎn)：減小非設(shè)計(jì)工況下的沖角。42多級壓氣機(jī)的中間放氣機(jī)構(gòu) 中間放氣在多級壓氣機(jī)通流部分的一個(gè)或幾個(gè)截面處將一部分氣體放到大氣中或者重新引回壓氣機(jī)進(jìn)口，以防止壓氣機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)發(fā)生喘振的一種方法。43 中間放氣的防喘機(jī)理 從壓氣機(jī)中間放掉部分氣體，放氣口前流量相對增大，放氣口后流量相對減小，使首、末級的氣流沖角均可以調(diào)整到接近設(shè)計(jì)值，從而消除喘振。44中間放氣措施的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：簡單

16、易行，壓比低于10以下時(shí)效果較理想。 缺點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性差，因放掉1015經(jīng)過壓縮的空氣。放氣口位置對放氣效果的影響 (1)過分靠近壓氣機(jī)進(jìn)口，放氣效果不太明顯； (2)過分靠近壓氣機(jī)出口，經(jīng)濟(jì)性太差； (3)大功率燃?xì)廨啓C(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)速高低分別采用不同的放氣口或不同數(shù)量的放氣口放氣，以此改善放氣效果和經(jīng)濟(jì)性。45 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉 將多級壓氣機(jī)某些級的導(dǎo)葉做成可以繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)葉安裝角可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。46旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的防喘機(jī)理 壓氣機(jī)在低轉(zhuǎn)速下靠近喘振邊界運(yùn)行時(shí)，若導(dǎo)葉不動，前幾級將出現(xiàn)大的正沖角；轉(zhuǎn)動導(dǎo)葉，改變安裝角，可消除氣流沖角，避免喘振。導(dǎo)葉固定和旋轉(zhuǎn)時(shí)氣流速度三角形的變化47旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉防喘的

17、不足 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉不能在葉片的全部高度上同時(shí)消除正沖角，若保證平均高度上的沖角接近設(shè)計(jì)值，則葉頂和葉根處的沖角將仍然偏離設(shè)計(jì)值。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉防喘措施的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性好； 缺點(diǎn)：操縱機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)復(fù)雜，重量增加。48 分軸壓氣機(jī) 將多級壓氣機(jī)分成2個(gè)甚至3個(gè)轉(zhuǎn)子，分別由相應(yīng)的燃?xì)馔钙酵蟿?。高壓比燃?xì)廨啓C(jī)常采用分軸的方法防止壓氣機(jī)喘振。1低壓轉(zhuǎn)子 2高壓轉(zhuǎn)子雙轉(zhuǎn)子（分軸）燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)49分軸壓氣機(jī)的防喘原理 雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)利用高壓透平拖動高壓壓氣機(jī)，低壓透平拖動低壓壓氣機(jī)，于是當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)能夠使高、低壓壓氣機(jī)的首級和末級的圓周速度與氣流軸向速度都協(xié)調(diào)變化，結(jié)果使低壓壓氣機(jī)的正沖角和高壓壓氣機(jī)的負(fù)沖角消失

18、，從而消除壓氣機(jī)的喘振。分軸壓氣機(jī)防喘措施的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速與流量的協(xié)調(diào)，高壓比下可保證防喘的要求。 缺點(diǎn)：需采用復(fù)雜的同心套軸結(jié)構(gòu)。 50設(shè)計(jì)壓比防喘措施44.5可不采用6中間放氣；中間放氣旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉(1012)多個(gè)截面放氣旋轉(zhuǎn)若干級導(dǎo)葉總壓比916雙轉(zhuǎn)子（分軸）壓氣機(jī)（高、低壓壓氣機(jī)壓比保持在34之間）更高設(shè)計(jì)壓比雙轉(zhuǎn)子（分軸）壓氣機(jī)中間放氣和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉；三轉(zhuǎn)子（分軸）壓氣機(jī)防喘措施小結(jié) 51（五）壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)軸側(cè)圖52壓氣機(jī)通流部分型式平均直徑逐級增大、級數(shù)少、氣缸平直易加工。末級平均直徑小而葉片高，效率高。級數(shù)和效率介于上述二者之間。大流量高壓比的壓氣機(jī)中采用前三者混合。53壓氣機(jī)的靜子氣缸作用： （1）固定其它靜子件； （2）是整臺機(jī)組的承力骨架（機(jī)組重量、壓縮空氣的內(nèi)壓力以及其它作用力）。技術(shù)要求（鑄造件）： （1）高的剛性； （2）良好的氣動特性（氣流流動損失應(yīng)小）。 （3）出口采用擴(kuò)壓型式的流道。54靜葉作用： 把氣流在動葉中獲得的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?/p>