发动机原理-压气机与涡轮01shangza.ppt

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1、第二章第二章 发动机主要部件发动机主要部件工作原理工作原理本章主要内容本章主要内容第一节第一节 进气道进气道第二节第二节 尾喷管尾喷管第三、四节第三、四节 压气机与涡轮压气机与涡轮第五节第五节 燃烧室燃烧室 Q生活中的叶轮机Q风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、水轮机、水泵、螺旋桨（飞机、轮船）一、压气机工作原理一、压气机工作原理v电脑芯片的风扇：由微型电机驱动，向散热器提供冷却空气v发动机的压气机：由涡轮驱动，向燃烧室提供高压空气一、压气机工作原理一、压气机工作原理v风力发电机：空气的动能转化为电能；v发动机的涡轮：燃气的热能转化为机械能；一、压气机工作原理一、压气机工作原理压气机30个大气

2、压1.5个大气压3个大气压一、压气机工作原理一、压气机工作原理v大涵道比涡轮风扇发动机大涵道比涡轮风扇发动机一、压气机工作原理一、压气机工作原理v小涵道比涡轮风扇发动机小涵道比涡轮风扇发动机一、压气机工作原理一、压气机工作原理v功能对气流进行压缩,提高压力v设计要求流通能力强、效率高、稳定、重量轻v分类离心式和轴流式一、压气机工作原理一、压气机工作原理v离心式压气机特点：轴向进气，径向排气，离心增压组成：进气系统叶轮扩压器集气管一、压气机工作原理一、压气机工作原理气体靠离心增压气体靠离心增压一、压气机工作原理一、压气机工作原理v离心式压气机优点：优点：结构简单、零件少结构简单、零件少级增压能力

3、强级增压能力强(增压比增压比3-12)3-12)性能稳定性能稳定轴向尺寸短轴向尺寸短缺点：缺点：效率低，迎风面大效率低，迎风面大适合：适合：小推力级动力装置小推力级动力装置一、压气机工作原理一、压气机工作原理v轴流式压气机特点：特点：轴向进气，轴向排气轴向进气，轴向排气优点：优点：流通能力强、径向尺寸小、效率高流通能力强、径向尺寸小、效率高缺点：缺点：结构复杂、级增压能力小、轴向尺寸长、零件多结构复杂、级增压能力小、轴向尺寸长、零件多适合：适合：大尺寸、高推力级、高速飞行的飞机发动机大尺寸、高推力级、高速飞行的飞机发动机一、压气机工作原理一、压气机工作原理v轴流式压气机多级组成，每一级由转子与

4、静子组成。多级组成，每一级由转子与静子组成。转子（工作轮转子（工作轮：叶片、盘、轴：叶片、盘、轴静子（导向器静子（导向器：叶片、机匣：叶片、机匣转子在前、静子在后，交错排列转子在前、静子在后，交错排列转子静子一、压气机工作原理一、压气机工作原理v纯轴流式压气机组成的压缩系统一、压气机工作原理一、压气机工作原理Q轴流+离心组合一、压气机工作原理一、压气机工作原理v能量方程式能量方程式二、基本方程式二、基本方程式v能量方程式能量方程式-动坐标系动坐标系二、基本方程式二、基本方程式v伯努利方程式伯努利方程式二、基本方程式二、基本方程式v伯努利方程式伯努利方程式-压气机压气机二、基本方程式二、基本方程

5、式 上式表明压气机给空气的轮缘功用来完成多式表明压气机给空气的轮缘功用来完成多变压缩变压缩,增加空气的动能以克服流动损失。增加空气的动能以克服流动损失。v伯努利方程式伯努利方程式-涡轮涡轮二、基本方程式二、基本方程式 上式表明燃气在涡轮中膨胀时所作的膨胀功式表明燃气在涡轮中膨胀时所作的膨胀功以及燃气动能变化之和是用来产生轮缘功和克以及燃气动能变化之和是用来产生轮缘功和克服流动损失的。服流动损失的。v伯努利方程式伯努利方程式-动坐标系动坐标系二、基本方程式二、基本方程式 上上式表明在进出口气流压力与相对速度的变式表明在进出口气流压力与相对速度的变化关系，对于压气机，压力升高，则相对速度化关系，对

6、于压气机，压力升高，则相对速度减小，对于涡轮，压力下降，则相对速度增加。减小，对于涡轮，压力下降，则相对速度增加。v压气机基元级级基元级平面叶栅v平面叶栅动叶叶栅静叶叶栅v截面编号1 动叶进口2 动叶出口（静叶进口）3 静叶出口三、基元极工作原理三、基元极工作原理v静叶叶栅三、基元极工作原理三、基元极工作原理气体在静子中作绝气体在静子中作绝能流动伯努利方程能流动伯努利方程dp0 V3 V2对于亚音气流，对于亚音气流，减速必须经过减速必须经过扩张形通道扩张形通道三、基元极工作原理三、基元极工作原理v气体在静叶叶栅中的流动：利用叶型偏向轴线弯曲，使叶片之间形成扩张形气流通道；气体流经扩张通道减速增

7、压（亚音速）；三、基元极工作原理三、基元极工作原理v动叶叶栅三、基元极工作原理三、基元极工作原理v气体在动叶叶栅中的流动：速度三角形进口：气流流向动叶的绝对速度V1；叶片转动切线速度为U1；气流进入动叶的相对速度为W1。出口：w气流流出动叶的相对速度为W2；w叶片转动切线速度为U2；w气流流出动叶的绝对速度为V2。三、基元极工作原理三、基元极工作原理v对于轴流压气机的动叶：近似认为动叶前后切向速度不变U1U2气流在动叶叶栅中相对速度降低，W2 W1（减速增压）气流流经动叶的绝对速度增加，即V2 V1（转子做功）三、基元极工作原理三、基元极工作原理动叶增叶增压原理原理伯努利方程伯努利方程(机械能

8、守恒机械能守恒)H相对坐标系相对坐标系 dp 0 W2 W1 叶型弯曲形成扩张叶型弯曲形成扩张通道，相对速度减通道，相对速度减小，压力提高小，压力提高v流动本质：气体在动叶和静叶中的流动过程，本质上都是亚音速气体的减速增压过程。三、基元极工作原理三、基元极工作原理v压气机叶栅压气机叶栅四、压气机工作原理四、压气机工作原理气体在轴流压气机中的参数变化气体在轴流压气机中的参数变化四、压气机工作原理四、压气机工作原理第一项表示气流经过动叶栅获取的动能，第二第一项表示气流经过动叶栅获取的动能，第二项表示气流流过动叶栅有多少相对动能转化为项表示气流流过动叶栅有多少相对动能转化为静压的提高，也包含转化过程

9、的流动损失静压的提高，也包含转化过程的流动损失四、压气机工作原理四、压气机工作原理动叶栅亚音速压气机中亚音速气流只有在逐渐扩张的亚音速压气机中亚音速气流只有在逐渐扩张的通道中才能减速增压。亚音速压气机级的效率通道中才能减速增压。亚音速压气机级的效率比较高、性能较稳定，但增压比较低。比较高、性能较稳定，但增压比较低。四、压气机工作原理四、压气机工作原理静叶栅亚音轴流压气机级增压比亚音轴流压气机级增压比=1.11.4 多级多级在压气机设计中人们非常重视增压比，在同样在压气机设计中人们非常重视增压比，在同样的总增压比下，提高级的增压比，就意味着减的总增压比下，提高级的增压比，就意味着减少级数，因而就

10、可以减少重量。少级数，因而就可以减少重量。四、压气机工作原理四、压气机工作原理要提高每一要提高每一级的增的增压能力，要提高能力，要提高Wu轮缘功功Wu动量矩原理推量矩原理推导出（出（见教材）教材）U 切切线速度速度 WU 扭速扭速U=f(n,D):高速旋高速旋转（n=10,00050,000 rpm)受受强度、直径、相度、直径、相对速度等限制速度等限制扭速扭速：增加叶：增加叶栅的弯曲程度，增大的弯曲程度，增大扩张程度程度 扩张程度程度过大，气流易分离，大，气流易分离，损失增大失增大四、压气机工作原理四、压气机工作原理增加叶栅的弯曲程度，增大扩张程度，可以增加扭速增加叶栅的弯曲程度，增大扩张程度

11、，可以增加扭速在较宽的范围内保证压气机的工作稳定，在较宽的范围内保证压气机的工作稳定，并具有较高的效率，以此为前提，提高级并具有较高的效率，以此为前提，提高级的增压比，可以说是压气机设计的中心问的增压比，可以说是压气机设计的中心问题。题。四、压气机工作原理四、压气机工作原理超音叶超音叶栅增增压原理原理进口超音速气进口超音速气流流W1经激波后经激波后降为亚音流降为亚音流W2，静压提高，静压提高然后气流转弯然后气流转弯速度降到速度降到W2，静压进一步提静压进一步提高高Mw1=1.3-1.5,总压损失总压损失级增压比级增压比v压气机叶片的扭转因沿叶高的切线速度大小不同相对速度大小和方向均不同速度三角

12、形不同；四、压气机工作原理四、压气机工作原理v叶型的变化四、压气机工作原理四、压气机工作原理v多级压气机沿压气机轴向，随气体不断被增压，气体密度加大，气流通道逐级缩小，叶片变短。思考：是否可以只采用静子叶片减速增压？可否取消动叶？四、压气机工作原理四、压气机工作原理v为何要采用动叶加功增压：如果不对气体作功，只靠减速增压，压力增加程度充其量等于来流总压；动叶对气体作功加入能量，增加绝对动能，使气流在其后的静叶中有足够的能量减速增压；排列顺序：动叶在前，静叶在后。级增压原理：动叶加功增速，同时靠扩张叶栅通道减相对速度，增加压力；静叶使在动叶中获得能量的气流，通过扩张叶栅通道减速增压。同时静子还起

13、导向作用将气流引导到一定方向，为顺利进入下一级做准备。四、压气机工作原理四、压气机工作原理v气体参数的变化动叶静温增加静压增加总温增加（动叶做功）总压增加绝对速度增加（动叶做功）相对速度下降（减速扩压）静叶静温增加静压增加总温不变总压小幅下降（有损失）速度下降（减速扩压）四、压气机工作原理四、压气机工作原理涡轮五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理v功能将燃气的内能转换为机械能并对外输出功率，带动压气机(风扇)、螺旋桨、旋翼(尾桨)等。v工作环境高温:热负荷(1600-1950K)高速转动:离心负荷 高气动负荷:气动力、气动力矩轴负荷：传递巨大的扭矩v设计要求提供所需功率、效率高、耐高温、高强度、重

14、量轻五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理v高压涡轮五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理v低压涡轮五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理v组成：静子（导向器）静子叶片内、外环转子工作叶片盘轴排列方式静子在前转子在后五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理Q涡轮基元级平面叶栅：五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理v工作原理导向器高温高压气体在导向器中膨胀加速 焓 动能工作叶轮高速气流冲击工作叶轮，使叶轮高速转动，发出功率。动能机械能五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理v气流在涡轮基元级中的流动截面0 静叶进口1 静叶出口（动叶进口）2 动叶出口五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理v静子叶栅（导向器）五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理

15、气流在静子叶气流在静子叶栅中的流中的流动气体作绝能流动气体作绝能流动伯努利方程伯努利方程V1 V0 dp 0 对于亚音气流，要加速必须经过收敛形叶栅通道对于亚音气流，要加速必须经过收敛形叶栅通道。叶栅向背离轴向弯曲形成叶栅向背离轴向弯曲形成收敛通道。收敛通道。在静子叶片中的工作原理：膨胀加速并转向在静子叶片中的工作原理：膨胀加速并转向v在静子叶栅中：叶型偏离轴线弯曲形成收敛通道在叶栅通道出口处为最小截面，称为喉道截面；在喉道截面处，气流通常达到当地音速；在临界截面后气流进一步加速，以超音速进入工作轮；静子叶片起导向作用又称为导向器。五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理v涡轮与压气机静子叶片的对比压

16、气机（减速增压）涡轮（增速减压）五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理v涡轮动叶进口：气流以V1流向动叶由于叶片转动切线速度U1气流以相对速度W1进入动叶出口：气流以相对速度W2 流出动叶由于叶片转动切线速度U2气流以绝对速度V2流出动叶五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理v涡轮速度三角形：将进、出口速度三角形叠画在一起,W和V均向背离转动方向发生偏转相对速度增加：W2 W1（气体增速降压）绝对速度下降：V2 V1（动能 机械能）五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 伯努利方程伯努利方程绝对坐标系绝对坐标系 气体膨胀功、动能增量气体膨胀功、动能增量 输出轮缘功输出轮缘功并耗损摩擦功并耗损摩擦功相对坐标系相对

17、坐标系 dp 0 W2 W1 叶型弯曲形成收敛通道叶型弯曲形成收敛通道 相对速度增加，压力降低相对速度增加，压力降低两式相减，得：两式相减，得：涡轮对外输出轮缘功涡轮对外输出轮缘功绝对动能绝对动能 机械能机械能相对动能相对动能 膨胀加速膨胀加速 产生反作用力产生反作用力提高每一提高每一级涡轮的膨的膨胀作功能力，要提高作功能力，要提高轮缘功功Wu轮缘功功Wu 动量矩原理推量矩原理推导出出 U 切切线速度速度 WU 扭速扭速增加增加输出功率：出功率：u、扭速。、扭速。由于气流在由于气流在涡轮中作膨中作膨胀加速流加速流动,气流不易分离气流不易分离 因此允因此允许气流的气流的转角角较大大产生大的生大的

18、扭速扭速。扭速 wu涡轮涡轮一级涡轮输出功率可以带动多级压气机 压气机v涡轮叶片的扭转：涡轮级沿叶高由基元级叠加而成；因沿叶高的切线速度大小不同，相对速度大小和方向均不同，速度三角形不同；沿叶高叶片是扭转的。五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理v沿发动机轴向为扩张形气流通道沿发动机轴向为扩张形气流通道五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理压气机涡轮转子在前、静子在后静子在前、转子在后转、静叶栅均为扩张型转、静叶栅均为收缩型转子：加功+增压转子：获得机械功+降压静止：减速增压静子：加速减压基元级逐级收缩基元级逐级扩张内部流动一般为亚音导叶出口一般为临界逆压力梯度（静压增加）顺压力梯度（静压下降）W2 W1

19、 V2 V1W2 W1 V2 V1小结小结v压气机热力过程理想情况：绝热等熵压缩实际情况：不可逆压缩（近似多变压缩）hSP2*P1*等熵等熵理想压缩功理想压缩功实际压缩功实际压缩功12i2六、压气机和涡轮的性能参数六、压气机和涡轮的性能参数v压气机效率的计算等熵过程的关系式：等熵压缩功：实际压缩功压气机效率在给定的增压比和进口总温的条件下，在给定的增压比和进口总温的条件下，压气机出口温度越高，效率越低。压气机出口温度越高，效率越低。六、压气机和涡轮的性能参数六、压气机和涡轮的性能参数v压气机主要性能参数增压比：流量：转速：绝热效率：六、压气机和涡轮的性能参数六、压气机和涡轮的性能参数压气机气机

20、实际压缩功功压缩功与进口气流总温、增压比压缩功与进口气流总温、增压比成正比，与效率成反比成正比，与效率成反比hS34i4P3*P4*理想膨胀功理想膨胀功实际膨胀功实际膨胀功Q涡轮热力过程三、压气机和涡轮的性能参数三、压气机和涡轮的性能参数v涡轮主要参数膨胀比：流量：转速：绝热效率：三、压气机和涡轮的性能参数三、压气机和涡轮的性能参数涡轮效率（涡轮效率（0.88 0.92)：叶型流动损失（分离、摩擦）叶型流动损失（分离、摩擦）端面损失（潜流、径向间隙漏气）端面损失（潜流、径向间隙漏气）冷却气流掺入冷却气流掺入带冠、主动间隙控制带冠、主动间隙控制涡轮膨胀功与进口气流总温、膨胀比、绝热效涡轮膨胀功与

21、进口气流总温、膨胀比、绝热效率成正比。率成正比。练习题（判断）l只要压气机增压比保持不变，则压气机对单位工质所做的功保持不变。错，功与进口总温有关l只要压气机进、出口总温保持不变，则压气机对单位工质所做的功保持不变。对l若涡轮进口气流参数和涡轮膨胀比保持不变，则涡轮出口总温越高，涡轮效率也越高。错，参见h-s图三、压气机和涡轮的性能参数三、压气机和涡轮的性能参数作业：（1）在一台多级压气机中，第一级和第二级对空气的加功量都是30kJ/kg，级效率都是0.84，那么第一级和第二级增压比是否相同，为什么？（2）在标准大气条件下，测得某压气机的平均出口总温550K，总压738900Pa，求该压气机效率。三、压气机和涡轮的性能参数三、压气机和涡轮的性能参数