叶轮机械原理第三章课件.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第四节第四节 基元级的速度三角形分析基元级的速度三角形分析 多级轴流压气机是由多个单级压气机串联组成，而多级轴流压气机是由多个单级压气机串联组成，而其中每一个单级压气机又是由很多个基元级沿叶高其中每一个单级压气机又是由很多个基元级沿叶高叠加而成。叠加而成。压气机是通过无数个基元级实现对气体的加功和增压气机是通过无数个基元级实现对气体的加功和增压，基元级构成了轴流压气机的基础。压，基元级构成了轴流压气机的基础。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设计压气机从设计压气机的基元级开始，而设计基元设计压气机从设计压气机的基元级开始，而设计基元级又是从确定基元级的气动参数开始。级又是从确定基元级的气动参数开始。速度三角形中的主要参数对压气机基元级的加功、增速度三角形中的主要参数对压气机基元级的加功、增压和低流阻损失等性能有着重要的影响。压和低流阻损失等性能有着重要的影响。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 速度三角形中的速度三角形中的 、和和 的选取规律的选取规律以及它们对基元级性能的影响。以及它们对基元级性能的影响。(一一)扭速扭速 的选取的选取 ，增大扭速可以增大基元级的加功量增大扭速可以增大基元级的加功量。亚亚声速基元级声速基元级 增加导致：增加导致：1.增大；增大；2.W2减小，逆压梯度增大；减小，逆压梯度增大；3.流动分离，动叶加功能力、效率流动分离，动叶加功能力、效率4.和流量下降。和流量下降。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叶背流动分离叶背流动分离 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、跨声速基元级，扭速超、跨声速基元级，扭速 是靠强烈的激波系获得。是靠强烈的激波系获得。如果激波强度过大，激波本身如果激波强度过大，激波本身的总压损失和激波附面层的总压损失和激波附面层干涉损失严重，使得动叶的效干涉损失严重，使得动叶的效率急剧下降。率急剧下降。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为为了了保保证证动动叶叶的的效效率率，无无论论亚亚声声速速还还是是超超、跨跨声声速速基基元级，都不能任意增大扭速元级，都不能任意增大扭速 。增大扭速增大扭速 还会使动叶出口速度还会使动叶出口速度 增大，并且增大，并且 的方向很斜，增加了基元级静叶的设计难度。的方向很斜，增加了基元级静叶的设计难度。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静叶进口气流速度大、方向斜带来的问题：静叶进口气流速度大、方向斜带来的问题：气流在静叶中偏转角度大，减速、扩压大，易分离；气流在静叶中偏转角度大，减速、扩压大，易分离；出现超声速流动区域和激波，激波损失；出现超声速流动区域和激波，激波损失；流量易堵塞。流量易堵塞。,提高动叶圆周速度提高动叶圆周速度u u，可以增大可以增大动叶对气体的加功量动叶对气体的加功量;在相同的在相同的 条件下，提高条件下，提高u u，会增大会增大w w1 1，即增大即增大M Mw1w1。现圆周速度现圆周速度u u可达可达500500米米/秒左右，秒左右，M Mw1w1在在1.61.61.8 1.8；叶片材料的强度是限制叶片材料的强度是限制u u提高提高 的因素之一。的因素之一。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(二二)动叶圆周速度动叶圆周速度u u的选取的选取第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理（三）动叶进口轴向速度（三）动叶进口轴向速度c c1a1a的选取的选取 c c1a1a影响压气机的迎风面积；影响压气机的迎风面积；过大的过大的c c1a1a易导致流动堵塞易导致流动堵塞和流动损失增大和流动损失增大 ，尤其是，尤其是在动叶的根部区域（叶片密、在动叶的根部区域（叶片密、叶片厚）；叶片厚）；Ma Ma超过超过0.750.75后，后，q(Ma)q(Ma)增增大不明显；大不明显；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（三）动叶进口轴向速度（三）动叶进口轴向速度c c1a1a的选取的选取 美国民用发动机风扇美国民用发动机风扇/压气机的压气机的 的选取值不超过的选取值不超过0.500.500.550.55，军用发动机风扇，军用发动机风扇/压气机的压气机的 的选取值的选取值不超过不超过0.600.600.650.65。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（四）动叶进口预旋速度（四）动叶进口预旋速度 的选取的选取 对气体在基元级中的流动和基元级的反力度有较大的对气体在基元级中的流动和基元级的反力度有较大的影响，在设计时可根据需要灵活选取预旋速度影响，在设计时可根据需要灵活选取预旋速度 。（1 1）正预旋）正预旋c c1u1u（的方向与的方向与 的方向相同）的方向相同）采用正预旋可有效降低动叶采用正预旋可有效降低动叶进口的相对进口的相对 。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)反预旋反预旋c c1u1u（c c1u1u的方向与的方向与u u的方向相反）的方向相反）在压气机设计时，通常安排动叶的加功量沿叶高在压气机设计时，通常安排动叶的加功量沿叶高分布基本相等，即分布基本相等，即L Lu u=u=u叶尖叶尖w wu u叶尖叶尖u u叶根叶根w wu u叶根叶根 ，w wu u大，造成：大，造成：基元级的反力度低；基元级的反力度低；静叶进口的静叶进口的c c2 2大，且斜；大，且斜；基元级静叶设计难度大。基元级静叶设计难度大。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采用反预旋，可以：采用反预旋，可以：提高基元级的反力度；提高基元级的反力度；减小静叶进口减小静叶进口c c2 2，改善进改善进 气方向；气方向；降低静叶设计难度。降低静叶设计难度。由于动叶根部的圆周速度由于动叶根部的圆周速度u u小，采用适当的反预旋，小，采用适当的反预旋，一般不会出现因动叶进口相对一般不会出现因动叶进口相对M Mw1w1过大而带来的动叶效过大而带来的动叶效率急剧下降的问题率急剧下降的问题。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五节第五节 压气机平面叶栅流动压气机平面叶栅流动 动动叶叶和和静静叶叶的的叶叶栅栅通通道道以以及及气气流流相相对对于于动动叶叶和和静静叶叶的的流流动动都都有着共同的特点：有着共同的特点：气气流流在在沿沿流流向向扩扩张张的的通通道道中中减减速扩压流动；速扩压流动；气气流流的的角角度度发发生生偏偏转转，由由与与轴轴向向的的夹夹角角大大，偏偏转转到到与与轴轴向向的的夹角小。夹角小。亚声速基元级亚声速基元级第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理 可以用单独一排叶片来模拟气流在基元级中动叶可以用单独一排叶片来模拟气流在基元级中动叶或静叶中的流动，这种在平面上展开的模拟叶栅或静叶中的流动，这种在平面上展开的模拟叶栅就是压气机平面叶栅。就是压气机平面叶栅。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叶型表面座标叶型表面座标:选定选定中弧线中弧线（圆弧、抛物线、（圆弧、抛物线、多项式等），将多项式等），将原始叶型原始叶型（中（中弧线为直线的对称叶型）的厚弧线为直线的对称叶型）的厚度移植到中弧线曲线上，可得度移植到中弧线曲线上，可得到叶型的表面座标。到叶型的表面座标。叶背表面也称为叶片吸力面，叶背表面也称为叶片吸力面，叶盆表面也称为叶片压力面。叶盆表面也称为叶片压力面。一、一、平面叶栅的几何参数平面叶栅的几何参数 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 叶型几何参数叶型几何参数 1.中弧线中弧线 2.弦长弦长b b 3.最大挠度最大挠度f fmaxmax及其位置及其位置a a 和和 4.最大厚度最大厚度c cmaxmax及其位置及其位置e e 和和5.5.叶型前缘角叶型前缘角 和后缘角和后缘角6.6.叶型弯角叶型弯角 ，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 叶栅几何参数叶栅几何参数1.1.叶型安装角叶型安装角 2.栅距栅距 t3.叶栅稠度叶栅稠度 ,4.4.几何进口角几何进口角 和和 几何出口角几何出口角 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二、二、平面叶栅中的流动平面叶栅中的流动 当叶栅进口当叶栅进口 比较高时（达到比较高时（达到0.80.8左右），在叶栅通道内部左右），在叶栅通道内部就有可能出现局部超声速流动，这时的来流就有可能出现局部超声速流动，这时的来流 在气动上被称在气动上被称为临界为临界 。前缘小圆的半径增前缘小圆的半径增大、叶型的最大厚度大、叶型的最大厚度大和其位置靠近前缘、大和其位置靠近前缘、中弧线的挠度大和其中弧线的挠度大和其位置靠近前缘等因素，位置靠近前缘等因素，都会使叶栅的临界都会使叶栅的临界 减小。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叶片表面附近的马赫数分布叶片表面附近的马赫数分布 叶片表面静压分布叶片表面静压分布 （a a）尾迹总压亏损尾迹总压亏损（b b）附面层分离附面层分离（c c）激波附面层激波附面层 干涉干涉第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理激波附面层干涉激波附面层干涉激波附面层干涉激波附面层干涉第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理叶栅出口平均气流角叶栅出口平均气流角落后角落后角第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理 气体沿曲线流动时，所受离心气体沿曲线流动时，所受离心力与从压力面到吸力面的压力梯度力与从压力面到吸力面的压力梯度相抗衡，接近尾缘时，由于该压力相抗衡，接近尾缘时，由于该压力梯度减小，气流趋向于靠近压力面梯度减小，气流趋向于靠近压力面一侧流动，叶型的弯角越大，这一一侧流动，叶型的弯角越大，这一倾向越明显，即倾向越明显，即落后角落后角越大越大。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 在叶栅出口处叶片压力面与额在叶栅出口处叶片压力面与额线的夹角小于叶型中弧线与额线线的夹角小于叶型中弧线与额线的夹角，因此，叶型尾缘附近的的夹角，因此，叶型尾缘附近的厚度也对落后角有较大的影响，厚度也对落后角有较大的影响，叶片尾缘越厚，落后角越大。叶片尾缘越厚，落后角越大。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叶栅中的流动损失由以下各项组成：叶栅中的流动损失由以下各项组成：（1 1）附面层内气体的）附面层内气体的摩擦损失摩擦损失；（2 2）逆压梯度作用下的附面层）逆压梯度作用下的附面层分离损失分离损失，特别是激波，特别是激波 附面层干涉会加重分离，导致分离损失急剧增加；附面层干涉会加重分离，导致分离损失急剧增加；（3 3）激波激波造成的总压损失；造成的总压损失；（4 4）尾迹损失尾迹损失（叶片两侧附面层在尾缘处脱体时产生（叶片两侧附面层在尾缘处脱体时产生 的旋涡流动损失）和尾迹区与主流区的掺混损失。的旋涡流动损失）和尾迹区与主流区的掺混损失。以上损失也称为以上损失也称为叶型损失叶型损失。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三、平面叶栅的气动参数三、平面叶栅的气动参数 1.进气角进气角2.2.攻角攻角3.3.落后角落后角4.4.气流转角气流转角5.5.总压损失系数总压损失系数6.6.进口进口 和出口和出口7.7.静压增压比静压增压比 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四、平面叶栅试验四、平面叶栅试验 亚声速平面叶栅风洞亚声速平面叶栅风洞 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平面叶栅攻角特性平面叶栅攻角特性 不同攻角下的叶片表面气流分离不同攻角下的叶片表面气流分离 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平面叶栅攻角特性平面叶栅攻角特性 特性特性1 1 来流的攻角在设计攻来流的攻角在设计攻角附近变化时，叶栅的出气角角附近变化时，叶栅的出气角2 2基本不变。基本不变。特性特性2 2 来流的攻角在设计攻角来流的攻角在设计攻角附近变化时，叶栅的总压损失附近变化时，叶栅的总压损失也基本不变，并维持在较低水也基本不变，并维持在较低水平。平。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 不同进口不同进口M1下的叶栅攻角特性下的叶栅攻角特性 0.60.7以后以后，随着随着进口马赫数的增大，低损进口马赫数的增大，低损失系数的攻角范围变窄。失系数的攻角范围变窄。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.串列叶栅理论串列叶栅理论第二排叶片的附面层重新生成；第二排叶片的附面层重新生成；第二排叶片的来流攻角变化不大；第二排叶片的来流攻角变化不大；第一排叶片负荷轻，第二排叶片第一排叶片负荷轻，第二排叶片负荷负荷可以重一些；可以重一些；串列叶栅在气流偏转角度比较大串列叶栅在气流偏转角度比较大时，流动稳定性好，抗分离能力强。时，流动稳定性好，抗分离能力强。特殊叶栅理论特殊叶栅理论第三章第三章 轴流压气机的工作原理轴流压气机的工作原理2.轴流压气机大小叶片理论轴流压气机大小叶片理论在在转子通道的后半部分局部增转子通道的后半部分局部增加小叶片，增大转子的作功能力。加小叶片，增大转子的作功能力。Wennerstrom于七十年代提出，于七十年代提出，并进行了试验验证。并进行了试验验证。九十年代以后，采用九十年代以后，采用CFD技术技术进行优化设计。进行优化设计。