發(fā)動機原理壓氣機與渦輪

發(fā)動機原理壓氣機與渦輪第1頁/共76頁本章主要內容第一節(jié)進氣道第二節(jié)尾噴管第三、四節(jié)壓氣機與渦輪第五節(jié)燃燒室

第2頁/共76頁生活中的葉輪機風車、水車、電風扇、鼓風機、汽輪機、水輪機、水泵、螺旋槳（飛機、輪船）……一、壓氣機工作原理第3頁/共76頁電腦芯片的風扇：由微型電機驅動，向散熱器提供冷卻空氣發(fā)動機的壓氣機：由渦輪驅動，向燃燒室提供高壓空氣一、壓氣機工作原理第4頁/共76頁風力發(fā)電機： 空氣的動能轉化為電能；發(fā)動機的渦輪： 燃氣的熱能轉化為機械能；一、壓氣機工作原理第5頁/共76頁壓氣機30個大氣壓1.5個大氣壓3個大氣壓一、壓氣機工作原理第6頁/共76頁大涵道比渦輪風扇發(fā)動機一、壓氣機工作原理第7頁/共76頁小涵道比渦輪風扇發(fā)動機一、壓氣機工作原理第8頁/共76頁功能對氣流進行壓縮,提高壓力設計要求流通能力強、效率高、穩(wěn)定、重量輕分類離心式和軸流式一、壓氣機工作原理第9頁/共76頁離心式壓氣機特點：軸向進氣，徑向排氣，離心增壓組成：進氣系統(tǒng)葉輪擴壓器集氣管一、壓氣機工作原理第10頁/共76頁氣體靠離心增壓一、壓氣機工作原理第11頁/共76頁離心式壓氣機優(yōu)點：結構簡單、零件少級增壓能力強(增壓比3-12)性能穩(wěn)定軸向尺寸短缺點：效率低，迎風面大適合：小推力級動力裝置一、壓氣機工作原理第12頁/共76頁軸流式壓氣機特點：軸向進氣，軸向排氣優(yōu)點：流通能力強、徑向尺寸小、效率高缺點：結構復雜、級增壓能力小、軸向尺寸長、零件多適合：大尺寸、高推力級、高速飛行的飛機發(fā)動機一、壓氣機工作原理第13頁/共76頁軸流式壓氣機多級組成，每一級由轉子與靜子組成。轉子（工作輪〕：葉片、盤、軸靜子（導向器〕：葉片、機匣轉子在前、靜子在后，交錯排列轉子靜子一、壓氣機工作原理第14頁/共76頁純軸流式壓氣機組成的壓縮系統(tǒng)一、壓氣機工作原理第15頁/共76頁軸流+離心組合一、壓氣機工作原理第16頁/共76頁能量方程式二、基本方程式第17頁/共76頁能量方程式----動坐標系二、基本方程式第18頁/共76頁伯努利方程式二、基本方程式第19頁/共76頁伯努利方程式----壓氣機二、基本方程式上式表明壓氣機給空氣的輪緣功用來完成多變壓縮,增加空氣的動能以克服流動損失。第20頁/共76頁伯努利方程式-----渦輪二、基本方程式上式表明燃氣在渦輪中膨脹時所作的膨脹功以及燃氣動能變化之和是用來產(chǎn)生輪緣功和克服流動損失的。第21頁/共76頁伯努利方程式-----動坐標系二、基本方程式上式表明在進出口氣流壓力與相對速度的變化關系，對于壓氣機，壓力升高，則相對速度減小，對于渦輪，壓力下降，則相對速度增加。第22頁/共76頁壓氣機基元級級基元級平面葉柵平面葉柵動葉葉柵靜葉葉柵截面編號1動葉進口2動葉出口（靜葉進口）3靜葉出口三、基元極工作原理第23頁/共76頁靜葉葉柵三、基元極工作原理第24頁/共76頁氣體在靜子中作絕能流動伯努利方程dp0V3V2對于亞音氣流，減速必須經(jīng)過擴張形通道三、基元極工作原理第25頁/共76頁氣體在靜葉葉柵中的流動：利用葉型偏向軸線彎曲，使葉片之間形成擴張形氣流通道；氣體流經(jīng)擴張通道減速增壓（亞音速）；三、基元極工作原理第26頁/共76頁動葉葉柵三、基元極工作原理第27頁/共76頁氣體在動葉葉柵中的流動：速度三角形進口：氣流流向動葉的絕對速度V1；葉片轉動切線速度為U1；氣流進入動葉的相對速度為W1。出口：氣流流出動葉的相對速度為W2；葉片轉動切線速度為U2；氣流流出動葉的絕對速度為V2。三、基元極工作原理第28頁/共76頁對于軸流壓氣機的動葉：近似認為動葉前后切向速度不變U1U2氣流在動葉葉柵中相對速度降低，W2

W1（減速增壓）氣流流經(jīng)動葉的絕對速度增加，即V2

V1（轉子做功）三、基元極工作原理第29頁/共76頁動葉增壓原理伯努利方程(機械能守恒)相對坐標系

dp0W2W1

葉型彎曲形成擴張通道，相對速度減小，壓力提高第30頁/共76頁流動本質：氣體在動葉和靜葉中的流動過程，本質上都是亞音速氣體的減速增壓過程。三、基元極工作原理第31頁/共76頁壓氣機葉柵四、壓氣機工作原理第32頁/共76頁氣體在軸流壓氣機中的參數(shù)變化四、壓氣機工作原理第33頁/共76頁第一項表示氣流經(jīng)過動葉柵獲取的動能，第二項表示氣流流過動葉柵有多少相對動能轉化為靜壓的提高，也包含轉化過程的流動損失四、壓氣機工作原理動葉柵第34頁/共76頁亞音速壓氣機中亞音速氣流只有在逐漸擴張的通道中才能減速增壓。亞音速壓氣機級的效率比較高、性能較穩(wěn)定，但增壓比較低。四、壓氣機工作原理靜葉柵第35頁/共76頁亞音軸流壓氣機級增壓比=1.1~1.4多級在壓氣機設計中人們非常重視增壓比，在同樣的總增壓比下，提高級的增壓比，就意味著減少級數(shù)，因而就可以減少重量。四、壓氣機工作原理第36頁/共76頁要提高每一級的增壓能力，要提高Wu輪緣功Wu動量矩原理推導出（見教材）U–切線速度WU

–扭速U=f(n,D):高速旋轉（n=10,000~50,000rpm)

受強度、直徑、相對速度等限制扭速：增加葉柵的彎曲程度，增大擴張程度擴張程度過大，氣流易分離，損失增大四、壓氣機工作原理第37頁/共76頁增加葉柵的彎曲程度，增大擴張程度，可以增加扭速第38頁/共76頁在較寬的范圍內保證壓氣機的工作穩(wěn)定，并具有較高的效率，以此為前提，提高級的增壓比，可以說是壓氣機設計的中心問題。四、壓氣機工作原理第39頁/共76頁超音葉柵增壓原理進口超音速氣流W1經(jīng)激波后降為亞音流W2’

，靜壓提高然后氣流轉彎速度降到W2

，靜壓進一步提高Mw1=1.3-1.5,總壓損失=0.97-0.94級增壓比=1.8-2.2第40頁/共76頁壓氣機葉片的扭轉因沿葉高的切線速度大小不同相對速度大小和方向均不同速度三角形不同；四、壓氣機工作原理第41頁/共76頁葉型的變化四、壓氣機工作原理第42頁/共76頁第43頁/共76頁多級壓氣機沿壓氣機軸向，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。思考：是否可以只采用靜子葉片減速增壓？可否取消動葉？四、壓氣機工作原理第44頁/共76頁為何要采用動葉加功增壓：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；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；排列順序：動葉在前，靜葉在后。級增壓原理：動葉加功增速，同時靠擴張葉柵通道減相對速度，增加壓力；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，為順利進入下一級做準備。四、壓氣機工作原理第45頁/共76頁氣體參數(shù)的變化動葉靜溫增加靜壓增加總溫增加（動葉做功）總壓增加絕對速度增加（動葉做功）相對速度下降（減速擴壓）靜葉靜溫增加靜壓增加總溫不變總壓小幅下降（有損失）速度下降（減速擴壓）四、壓氣機工作原理第46頁/共76頁渦輪五、渦輪工作原理第47頁/共76頁功能將燃氣的內能轉換為機械能并對外輸出功率，帶動壓氣機(風扇)、螺旋槳、旋翼(尾槳)等。工作環(huán)境高溫: 熱負荷(1600-1950K)高速轉動: 離心負荷高氣動負荷: 氣動力、氣動力矩軸負荷： 傳遞巨大的扭矩設計要求提供所需功率、效率高、耐高溫、高強度、重量輕五、渦輪工作原理第48頁/共76頁高壓渦輪五、渦輪工作原理第49頁/共76頁低壓渦輪五、渦輪工作原理第50頁/共76頁組成：靜子（導向器）靜子葉片內、外環(huán)轉子工作葉片盤軸排列方式靜子在前轉子在后五、渦輪工作原理第51頁/共76頁渦輪基元級平面葉柵：五、渦輪工作原理第52頁/共76頁工作原理導向器高溫高壓氣體在導向器中膨脹加速焓動能工作葉輪高速氣流沖擊工作葉輪，使葉輪高速轉動，發(fā)出功率。動能機械能五、渦輪工作原理第53頁/共76頁氣流在渦輪基元級中的流動截面0靜葉進口1靜葉出口（動葉進口）2動葉出口五、渦輪工作原理第54頁/共76頁靜子葉柵（導向器）五、渦輪工作原理第55頁/共76頁氣流在靜子葉柵中的流動氣體作絕能流動伯努利方程V1V0dp

0

對于亞音氣流，要加速必須經(jīng)過收斂形葉柵通道。葉柵向背離軸向彎曲形成收斂通道。在靜子葉片中的工作原理：膨脹加速并轉向第56頁/共76頁在靜子葉柵中：葉型偏離軸線彎曲形成收斂通道在葉柵通道出口處為最小截面，稱為喉道截面；在喉道截面處，氣流通常達到當?shù)匾羲?；在臨界截面后氣流進一步加速，以超音速進入工作輪；靜子葉片起導向作用又稱為導向器。五、渦輪工作原理第57頁/共76頁渦輪與壓氣機靜子葉片的對比壓氣機（減速增壓）渦輪（增速減壓）五、渦輪工作原理第58頁/共76頁渦輪動葉進口：氣流以V1流向動葉由于葉片轉動切線速度U1氣流以相對速度W1進入動葉出口：氣流以相對速度W2流出動葉由于葉片轉動切線速度U2氣流以絕對速度V2流出動葉五、渦輪工作原理第59頁/共76頁渦輪速度三角形：將進、出口速度三角形疊畫在一起,W和V均向背離轉動方向發(fā)生偏轉相對速度增加：W2W1（氣體增速降壓）絕對速度下降：V2V1（動能機械能）五、渦輪工作原理第60頁/共76頁

伯努利方程絕對坐標系

氣體膨脹功、動能增量

輸出輪緣功并耗損摩擦功相對坐標系

dp

0W2

W1

葉型彎曲形成收斂通道相對速度增加，壓力降低兩式相減，得：渦輪對外輸出輪緣功絕對動能機械能相對動能膨脹加速產(chǎn)生反作用力第61頁/共76頁提高每一級渦輪的膨脹作功能力，要提高輪緣功Wu輪緣功Wu

動量矩原理推導出

U–切線速度WU

–扭速增加輸出功率：u、扭速。由于氣流在渦輪中作膨脹加速流動,氣流不易分離因此允許氣流的轉角較大產(chǎn)生大的扭速。第62頁/共76頁扭速wu渦輪一級渦輪輸出功率可以帶動多級壓氣機

壓氣機第63頁/共76頁渦輪葉片的扭轉：渦輪級沿葉高由基元級疊加而成；因沿葉高的切線速度大小不同，相對速度大小和方向均不同，速度三角形不同；沿葉高葉片是扭轉的。五、渦輪工作原理第64頁/共76頁沿發(fā)動機軸向為擴張形氣流通道五、渦輪工作原理第65頁/共76頁壓氣機渦輪轉子在前、靜子在后靜子在前、轉子在后轉、靜葉柵均為擴張型轉、靜葉柵均為收縮型轉子：加功+增壓轉子：獲得機械功+降壓靜止：減速增壓靜子：加速減壓基元級逐級收縮基元級逐級擴張內部流動一般為亞音導葉出口一般為臨界逆壓力梯度（靜壓增加）順壓力梯度（靜壓下降）W2

W1V2

V1W2>W1V2<

V1小結第66頁/共76頁壓氣機熱力過程理想情況：絕熱等熵壓縮實際情況：不可逆壓縮（近似多變壓縮）hSP2*P1*等熵理想壓縮功實際壓縮功12i2六、壓氣機和渦輪的性能參數(shù)第67頁/共76頁壓氣機效率的計算等熵過程的關系式：等熵壓縮功：實際壓縮功壓氣機效率在給定的增壓比和進口總溫的條件下，壓氣機出口溫度越高，效率越低。

六、壓氣機和渦輪的性能參數(shù)第68頁/共76頁壓氣機主要性能參數(shù)增壓比：流量：轉速：絕熱效率：六、壓氣機和渦輪的性能參數(shù)第69頁