第二篇压气机 第八章 2010

第二篇压气机叶片机原理授课教师：陈焕龙哈尔滨工业大学能源科学与工程学院推进理论与技术研究所离心式压气机主要部件及作用离心式压气机气体流动特点概述第八章离心式压气机航空发动机---容积流量较小的高压级采用离心压气机新型离心压气机特性20世纪40年代涡喷发动机初期离心压气机成功应用于活塞发动机增压器迎风面积大效率低流量小20世纪60年代考虑三维流动特点的管式超声扩压器1~2级轴流压气机/风扇+单级离心压气机小型涡轮轴发动机小型涡扇发动机轴流压气机在增压比和流量较小时，燃气涡轮发动机用离心式压气机比用轴流式压气机合适8.1离心式压气机主要部件及其作用进气装置（a-a和1-1之间）：把气体以一定方向或分布规律引入工作轮，为减少损失，略有加速减压工作轮（1-1和2-2之间）：工作轮加入轮缘功，气体流经它在离心惯性力作用下作向外的径向运动，增压且加速扩压器（2-2和3-3之间）：气体仍有较高动能，先经过无叶片环形空间即无叶扩压器（2-2和2-2之间）增压减速，再在叶片扩压器（2-2和3-3之间，类似轴流压气机静子）中减速增压集气管（3-3和K-K之间）：进一步减速增压并引气体入燃烧室结构示意图气流参数沿流程变化离心式压气机主要由4部件组成：8.2离心式压气机气体流动特点进气装置中的气体流动预旋片的作用是使工作轮进口有一定的切向速度C1u的分布分气盆预旋片双面进气的离心压气机进气装置由组成预旋片分气盆分气盆的作用是将经过预旋片的气体分为数层，以便将气体较均匀地充满工作轮叶片通道进口为减少流动损失，进气装置中的流道应稍有收敛，使气体速度略增工作轮中的气体流动轴流式：动能压力能增压D圆柱体切割展开前缘离心式：气体径向运动参数变化增压轴流式与离心式压气机增压原理的不同受逆压梯度下附面层发展和分离的限制小首先达到涡喷发动机对压比、效率的要求导风轮工作轮前缘U前缘沿U向扭转，1k-1=2~4大型离心压气机：单独制造小型离心压气机：整体件导风轮与叶轮本体分开制造气体微团与叶片撞击引起流动损失1随r增加而减小扭转随r增加而增加导风轮：特别扭转过的叶片前缘导风轮易受风沙冲击损坏导风轮扭转假设气流是定常、周向均匀、忽略摩擦力及重力流线与压气机轴线夹角截面相距dl离心式压气机增压原理沿流动方向压力流体微团加速度，惯性力工作轮匀转速，离心惯性力在流动方向投影根据力的平衡略去二次以上微量离心力做功占主导地位WpAW+dWp+dpA+dAdAWp+dp/2dlp+dp/2对进行积分r一定，离心式压气机基本工作原理W一定，利用气体作径向向外流动后参数的变化来达到增压的目的动坐标系统中不考虑摩擦时的机械能形式的能量方程式工作轮进口1-1截面工作轮出口2-2截面动坐标系统虑摩擦时的机械能形式的能量方程式工作轮中气流微团因惯性产生的与U相反的旋转运动，环流速度Wu在工作轮通道中，气流相对速度W沿通道宽度不是均匀分布合成平均W2方向与径向存在落后角功率系数/滑动因子从中心向工作轮外缘的径向均匀流动Wr+=Wr>WuWr<Wu倒流C2u<U2功率系数=C2u/U2W2、2、C2u、C2代Z时这些参数的极限值叶片数Z101416190.820.870.890.945Wr>WuC1a=Wr=(0.25~0.35)U2C2uU2=C2u气体在扩压器中的流动工作轮出口MaC2=1.1-1.2b222扩压器将动能转变为压力升高，进一步气体压力扩压器的作用扩压器的组成b22-2截面---3-3截面2-2截面---2-2截面环形缝隙/无叶扩压器2-2截面---3-3截面安装叶片，叶片间为扩压通道叶片组成扩压流道环形缝隙轴向扩压器环形缝隙叶片组成扩压流道气体微团以C2离开工作轮流线上每点切线与过该点圆切线间夹角为常数---具有这种特点的流线为“对数螺旋线”b2b222气体在环形缝隙中的流动对微团用动量矩定理径向分速度由连续方程得到流线上每点的切线与过该点圆上切线的夹角若r,C增加直径可提高无叶扩压器增压能力超声速气流可在缝隙中实现无激波减速扩压叶片之间构成扩压流道同理可为避免流动分离迎风面积过大缝隙，螺旋线轨迹长，摩擦损失航空发动机离心压气机缝隙部分很小b2b222气体在叶片扩压器中的流动叶片采用圆弧弯成，沿圆周均匀分布工作原理与轴流式压气机整流器一样，气流速度，压力同样内、外径之下，扩压能力大于无叶扩压器出气管与燃烧室相连接，作用之一是将压缩气体导入燃烧室出气管出口气流速度100m/s~120m/s气体在出气管中的流动出气管作用之二是气流速度，气流压力为减少损失，出气管转弯处有导流叶片从叶片扩压器出口到出气管出口分两个区域截面3-3---3-3截面3-3---K-K为减少流动损失，为相等截面或稍微收敛增压在此之间完成8.3离心压气机流动损失和效率流动损失Le=Lu+LrLr---工作轮旋转时，由于气体粘性，包围在叶轮四周及流道内的气体与机壳壁面摩擦产生，包括以下3项：叶轮侧表面所带动的与叶轮一起旋转的气体与机壳表面摩擦叶片两侧压力不同，气体沿着叶轮与机壳间轴向间隙从一个流道潜流到相邻流道，其方向与叶轮旋转方向相反叶轮前后与机壳间鼓风损失—叶轮前p出>p进导致气体沿壁面与叶轮间隙向进口倒流，叶轮后粘性作用下，与叶轮背面一起转动的气体质点在离心惯性力作用下被甩出去引起着重探讨流过工作轮的损失有效功Le：在工作轮轴上所需的功圆盘摩擦损失Lr：工作轮转动时克服摩擦和其他损失所需功潜流现象鼓风作用Lr的意义效率Lr的估算方法根据试验研究结果，工程计算中采用---由试验确定系数，目前常用压气机轴向进气条件下离心式压气机效率的定义与轴流式压气机效率定义相同等熵压缩过程所需功/实际压缩过程所需功为预旋导流片前气流总压为出气管出口处气流总压8.4超声速离心式压气机由跨声速导风轮+高速高负荷工作轮+超声速扩压器组成跨声速导风轮进口相对Ma从根顶，若在某半径处起速度超声速20世纪70年代后高增压比离心式压气机叶尖Maw1>1整体普通叶轮压气机增压比，并保持较高的效率提高发动机推重比早期的高增压比离心式压气机叶尖Maw11跨声速导风轮跨声速导风轮的采用跨声速轴流式压气机的设计经验串列叶轮导风轮与叶轮分开导风轮进口顶部采用跨声速轴流压气机设计技术按照先进跨声速轴流压气机转子设计方法设计导风轮导风轮与叶轮连在一起射流-尾迹模型---气流在导风轮叶片吸力面分离后形成近似为等Ma射流区，然后冲向工作轮叶片压力面流出，即分离点后叶轮内部流动包括射流区和相对静止尾迹区，后者充满了由流动中各种损失产生的大量低能流体，在哥氏力影响下两区互不混合，其分界线在流动中保持相对稳定高速高负荷工作轮叶轮负荷分布工作轮中新的流动模型主流尾迹径向速度剖面高速高负荷工作轮的研制从以下几方面展开：目前计算方法一般建立在位流理论基础上，没有考虑附面层增长对流动分离影响20世纪60年代提出射流-尾迹模型，低速情况下得到实验证实研究最佳叶轮负荷分布规律（子午流道、回转面）工作轮叶片的三种形式前弯叶轮气流出口绝对速度比后弯叶轮高后弯叶轮的新发展缺点是与径向叶轮相比，为达到相同压比需要较高的U，同时还增加了叶片弯曲应力，叶片应力高优点是当压气机沿等转速线流量减少时，输入功增加，工作稳定性提高，提供了控制叶轮负荷分布的手段，并降低扩压器进口Ma，使其可适应较大攻角变化范围，有利于改善非设计点性能前弯叶轮流道短但弯度大、扩张角大，易分离前弯叶轮流道出口速度更加不均匀目前广泛采用的是径向叶轮和后弯叶轮超声速扩压器早期C*=4.0目前C*=6.0研制C*>12.0超声速扩压器20世纪60年代末管式扩压器C*>3.0Mac2>1.0C*=10.0Mac2>1.4若切向孔相交叶轮外径与管式扩压器内径形成缝隙/无叶扩压器，利于降低扩压器进口速度喇叭形下游扩散段管式扩压器整体环形金属板喇叭形下游扩散段前段：圆柱形直孔后段：带扩张角锥形孔均匀切向孔气流转弯为轴向中心线与叶轮出口圆周近于相切离心压气机的级增压比增长很快若圆柱孔与环形金属板内圆柱面相交锐边前缘轮盘、机匣、叶片表面附面层不均匀速度场工作轮出口超声速气流缝隙扩压器减速、调匀锐边前缘减弱激波且进一步调匀气流经直喉道进入锥形段减速扩压喇叭形扩压段减速扩压且转为轴向喇叭形扩压段减速扩压且转为轴向Ma由1.3降至0.3迎风面积大，只适用不考虑该因素的小流量发动机试验结果表明，装有管式扩压器的离心压气机C*=5.42时，=81.8%优点缺点锐边前缘适于超声速来流且可调匀来流，减少损失小流量高压比离心压气机扩压器轴向宽度短，叶片扩压器角区二次流损失高，而管式扩压器圆管通道损失小加工方便、成本低工作范围窄，亚声速时效果不好喇叭形下游扩散段管式扩压器1.设有一离心式压气机，轴向进气，出口处2=60、2=20，外径处圆周速度U2=400m/s，试求该压气机的轮缘功是多少？2.设某离心式压气机的增压比为C*=4.8，在温度为20C时的进气质量流量为50kg/s，试问带动该压气机需要多少千瓦的动力？（设压气机的效率为C*=0.82）在一台多级压气机设计中，第一级和第十级对气流的加功量都是29400J/kg，级效率都是0.86，问第一级压气机和第十级压气机的级增压比是否相同？为什么？用大于、等于、小于符号表示气流经压气机动叶进口1-1截面、动叶出口和静叶进口2-2截面和静叶出口3-3截面上气流参数的相对大小关系。（1）T1*、T2*和T3*；（2）p1*、p2*和p3*；（3）p1、p2和p3；（4）c1、c2和c3；（5）w1和w2；（2）pw1*、pw2*和pw3*。压气机甲共有6级，总的滞止增压比为8.85，压气机乙共有5级，总的滞止增压比为6.2，问哪一台压气机的平均级滞止增压比大？