叶轮机械原理 第三章(5).ppt

第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理五、超声速进口气流在平面叶栅中的流动特征五、超声速进口气流在平面叶栅中的流动特征 现现阶阶段段进进口口气气流流的的相相对对速速度度马马赫赫数数大大于于1.01.0情情况况只只发发生生压压气气机机的的转转子子上上，即即动动叶叶进进口口气气流流的的相相对对马马赫赫数数 1.0 1.0。在在目目前前的的轴轴流流压压气气机机技技术术水水平平的的条条件件下下，动动叶叶进进口气流的轴向速度马赫数口气流的轴向速度马赫数 仍然小于仍然小于1.01.0。这这样样，叶叶片片对对气气流流的的扰扰动动（激激波波和和膨膨胀胀波波）可可以以传播到叶栅进口（额线）以前并影响栅前流场。传播到叶栅进口（额线）以前并影响栅前流场。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理 减少减少D D点以前的型面转折角度数点以前的型面转折角度数 ，可以降低，可以降低D D点处的点处的MaMa数，从而可有效降低激波造成的流动损失。数，从而可有效降低激波造成的流动损失。方法是方法是将叶型的将叶型的吸力面进口段吸力面进口段设计成：设计成：小转折角小转折角(多圆弧叶型多圆弧叶型)MaMa1 1 1.6 1.6 第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理 反压反压 对超声速叶栅流动特征的影响对超声速叶栅流动特征的影响 （来流来流M Mw1w1不变）不变）第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理a、反压降低b、反压提高 激波脱体后，反压的信息能够前传，滞止流线的位激波脱体后，反压的信息能够前传，滞止流线的位置开始下移，激波造成的总压损失增大和槽道激波处置开始下移，激波造成的总压损失增大和槽道激波处流通面积的减小使得流量开始减小；流通面积的减小使得流量开始减小；第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理 来流来流MaMa数对超声速叶栅流动特征的影响数对超声速叶栅流动特征的影响（反压（反压p p2 2不变）不变）第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理 当来流当来流 继续增大，外伸激波和槽道激波会变继续增大，外伸激波和槽道激波会变得很斜，叶栅内部和出口都有可能是超声速流动，得很斜，叶栅内部和出口都有可能是超声速流动，表明叶栅出口反压对于这时的表明叶栅出口反压对于这时的 来说太低了。来说太低了。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理 来流方向对超声速叶栅流动特征的影响来流方向对超声速叶栅流动特征的影响 第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理正激波脱体，正激正激波脱体，正激波强度大；波强度大；斜激波贴体，斜激斜激波贴体，斜激波强度弱。波强度弱。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理超声速叶栅流动特征：超声速叶栅流动特征：在来流相对速度超声速而其轴向速度分量为亚声速的情在来流相对速度超声速而其轴向速度分量为亚声速的情况下，由叶片引起的对流场的扰动可以况下，由叶片引起的对流场的扰动可以传播到叶栅进口额传播到叶栅进口额线线以前以前叶片前缘表面产生的激波、膨胀波和弱压缩波具有调整叶片前缘表面产生的激波、膨胀波和弱压缩波具有调整气流方向的功能，使气流趋向于平行于叶片表面流动。这气流方向的功能，使气流趋向于平行于叶片表面流动。这样，激波和膨胀波系后的叶型只工作于一个攻角，即样，激波和膨胀波系后的叶型只工作于一个攻角，即唯一唯一攻角攻角 第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理流动处于堵塞状态（反压流动处于堵塞状态（反压变化的信息不能前传至槽变化的信息不能前传至槽道激波前的超音区）；道激波前的超音区）；来流轴向速度分量为亚声来流轴向速度分量为亚声速；速；激波附体（激波附体（流量不随反压流量不随反压变化变化）。）。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理存在存在中和点中和点B（E）及及中和特征线。中和特征线。气流经过气流经过BCBC段段DEDE段膨段膨胀波时的折转角与气流胀波时的折转角与气流通过叶片通过叶片2 2的外伸激波时的外伸激波时的折转角大小相等、方的折转角大小相等、方向相反。向相反。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理气流到达每一个槽道的中气流到达每一个槽道的中和特征线位置时，气流的方和特征线位置时，气流的方向是相同的，总是平行于中向是相同的，总是平行于中和点和点B B或或E E的切线方向；的切线方向；只要流动堵塞和激波贴体，只要流动堵塞和激波贴体，则在不同反压下，来流相对则在不同反压下，来流相对吸力面吸力面B B或或E E点的攻角为零点的攻角为零（唯一攻角唯一攻角）。）。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理 在实际的三维叶片通道在实际的三维叶片通道中，即使某基元级处于堵中，即使某基元级处于堵塞状态，如果激波脱体，塞状态，如果激波脱体，进入压气机的流量减少，进入压气机的流量减少，唯一攻角也不一定存在。唯一攻角也不一定存在。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理第六节第六节 压气机一级中的流动压气机一级中的流动 当沿叶高将基元级叠加成压气机的一级以后，就当沿叶高将基元级叠加成压气机的一级以后，就出现了：出现了：端壁附面层流动；端壁附面层流动；端壁角区流动；端壁角区流动；端壁间隙产生的间隙流动；端壁间隙产生的间隙流动；端壁半径变化产生的径向流动。端壁半径变化产生的径向流动。压气机一级的流动呈现出强烈的三维流动特性。压气机一级的流动呈现出强烈的三维流动特性。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理（1 1）端区附面层流动）端区附面层流动 在端壁角区，端壁附面层和叶在端壁角区，端壁附面层和叶片表面附面层中低能气体的相片表面附面层中低能气体的相互阻滞互阻滞;角区的附面层增长很快，使得角区的附面层增长很快，使得角区比其它区域更加容易产生角区比其它区域更加容易产生流动分离。流动分离。一、亚音压气机一级中的流动特征一、亚音压气机一级中的流动特征第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理（2 2）径向间隙流动）径向间隙流动 倒流和泄漏流会改变间隙附近气流的出气方向，使该部位倒流和泄漏流会改变间隙附近气流的出气方向，使该部位压气机的加功和增压能力下降、效率下降压气机的加功和增压能力下降、效率下降倒流倒流泄漏流泄漏流第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理在间隙比较小的情况下，在间隙比较小的情况下，间隙流动中泄漏流占主要间隙流动中泄漏流占主要部分部分压力面的气体动能高、压力面的气体动能高、压力大，具有推迟或减小压力大，具有推迟或减小吸力面气体流动分离的能吸力面气体流动分离的能力力 第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理（3 3）通道涡流动）通道涡流动静子叶栅的通道涡静子叶栅的通道涡 主流区压力面静压高，端壁主流区压力面静压高，端壁区压力面静压低区压力面静压低;压力面附近的气流从静压高压力面附近的气流从静压高处流向低静压处，占据了端壁处流向低静压处，占据了端壁的气流通道的气流通道;沿端壁流向静压更低的吸力沿端壁流向静压更低的吸力面，在吸力面角区卷起，形成面，在吸力面角区卷起，形成横跨整个叶栅通道的旋涡流动。横跨整个叶栅通道的旋涡流动。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理通道涡的特点是成对出现，通道涡的特点是成对出现，旋向相反，各占叶栅通道旋向相反，各占叶栅通道的一半的一半叶片的弯度越大，所形成叶片的弯度越大，所形成的通道涡越强烈的通道涡越强烈静子叶栅的通道涡静子叶栅的通道涡 第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理 通道涡使静叶的出口气流角沿叶高的分布不均匀，出现过转通道涡使静叶的出口气流角沿叶高的分布不均匀，出现过转（落后角（落后角 0 平均落后角）现象。平均落后角）现象。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理动叶叶栅的通道涡和间隙涡动叶叶栅的通道涡和间隙涡动叶中的通道涡也是由压动叶中的通道涡也是由压力面附近高静压的气体通过力面附近高静压的气体通过端壁附面层流向吸力面而产端壁附面层流向吸力面而产生的。生的。动叶尖部的间隙涡与尖部动叶尖部的间隙涡与尖部通道涡的旋向相反，二者之通道涡的旋向相反，二者之间有相互抑制作用，间有相互抑制作用，第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理（4）叶片表面附面层潜移流动叶片表面附面层潜移流动 动叶表面附面层内的潜流动叶表面附面层内的潜流 流场中沿半径方向存在着与气体微团运动时周向分速度流场中沿半径方向存在着与气体微团运动时周向分速度 产产生的离心力生的离心力 相平衡相平衡的压力梯度的压力梯度;动叶表面的气体微团可以看成是和叶片动叶表面的气体微团可以看成是和叶片“粘粘”在一起旋转，在一起旋转，离离心力是心力是 ，而，而u cu cu u。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理在静叶表面也会产生叶片表面附面层潜移流动，但是在静叶表面也会产生叶片表面附面层潜移流动，但是潜移流动的方向与动叶潜移流动的方向与动叶相反相反，由叶尖向叶根潜移流动，由叶尖向叶根潜移流动 。叶片表面的附面层向端区潜移会造成端区的低能气体叶片表面的附面层向端区潜移会造成端区的低能气体的堆积，使得角区的流动容易产生分离，增加角区的的堆积，使得角区的流动容易产生分离，增加角区的流动损失。流动损失。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理（5 5）二次流动损失）二次流动损失 在叶轮机领域，通常将与主流区流动方向不一致的流动（倒流、在叶轮机领域，通常将与主流区流动方向不一致的流动（倒流、潜流、泄漏流和通道涡）称为潜流、泄漏流和通道涡）称为二次流动二次流动，由二次流动造成的损失，由二次流动造成的损失被称为被称为二次流损失二次流损失。一级的流动损失除基元级损失（叶型损失）外，新增损失主要一级的流动损失除基元级损失（叶型损失）外，新增损失主要集中在叶根、叶尖两个端区。集中在叶根、叶尖两个端区。设设计计轴轴流流压压气气机机，可可在在动动叶叶的的端端区区多多安安排排一一些些加加功功量量，抵抵消消端端区流动损失大的影响，使压气机出口的总压沿叶高接近一致。区流动损失大的影响，使压气机出口的总压沿叶高接近一致。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理二、超、跨声速级（动叶）流动特征二、超、跨声速级（动叶）流动特征 超、跨声速压气机级一般出现在压气机的进口级；超、跨声速压气机级一般出现在压气机的进口级；超声速压气机级是指动叶从叶根到叶尖的来流相对超声速压气机级是指动叶从叶根到叶尖的来流相对 都大于都大于1.01.0。跨声速压气机级是指动叶叶尖的跨声速压气机级是指动叶叶尖的 大于大于1.01.0，叶根，叶根的的 小于小于1.01.0。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理（1 1）流动的三维性强）流动的三维性强 槽道激波沿叶高位置槽道激波沿叶高位置(轴向轴向)变化变化 流场中的三维激波形面与动叶前流场中的三维激波形面与动叶前缘的空间走向以及叶片型面沿展向缘的空间走向以及叶片型面沿展向的变化密切相关。的变化密切相关。空空间间激激波波形形面面的的三三维维性性造造成成流流动动的的三维性增强。三维性增强。内内、外外流流道道半半径径的的变变化化造造成成端端区区流动的三维性强。流动的三维性强。从从平平面面叶叶栅栅二二维维流流动动实实验验中中总总结结出出来来的的经经验验和和规规律律，在在超超、跨跨声声速速动叶设计中的适用性大为降低。动叶设计中的适用性大为降低。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理（2 2）流动易堵塞）流动易堵塞 动叶从叶根到叶尖都出现了横跨整个槽道的贴体激波时，反动叶从叶根到叶尖都出现了横跨整个槽道的贴体激波时，反压变化的信息不能前传，降低出口反压，流量也不再增加了，压变化的信息不能前传，降低出口反压，流量也不再增加了，即出现了流动堵塞现象。即出现了流动堵塞现象。多级压气机中，如果进口级是超、跨声速级，则进口级的气多级压气机中，如果进口级是超、跨声速级，则进口级的气流通过能力对整个压气机空气流量的大小起决定性的作用。流通过能力对整个压气机空气流量的大小起决定性的作用。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理（3 3）对进口流场敏感）对进口流场敏感 超、跨声速动叶叶型的前缘比较尖，前缘叶片厚度也比较薄；超、跨声速动叶叶型的前缘比较尖，前缘叶片厚度也比较薄；在设计状态下，来流对准叶片时，可以有很好的气动性能；在设计状态下，来流对准叶片时，可以有很好的气动性能；一旦来流方向改变，来流不是正对着叶片时，尖劈形前缘叶一旦来流方向改变，来流不是正对着叶片时，尖劈形前缘叶型的气动优势很快就会丧失。型的气动优势很快就会丧失。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理前掠叶片理论前掠叶片理论前掠叶型可以减小叶尖激波强度；前掠叶型可以减小叶尖激波强度；前掠叶型可以提高叶尖抗来流畸变能力。前掠叶型可以提高叶尖抗来流畸变能力。第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理GE90-115BSwept BladeFront View第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理超超声速流场中扰动的传播声速流场中扰动的传播二维马赫线二维马赫线三维马赫锥三维马赫锥第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理强强前掠前掠后掠后掠前掠叶片马赫波相交处离波源远，产生的激波弱；前掠叶片马赫波相交处离波源远，产生的激波弱；后掠叶片马赫波相交处离波源近（相对前掠），产生的激波后掠叶片马赫波相交处离波源近（相对前掠），产生的激波强（相对前掠）。强（相对前掠）。