葉輪機械原理[高教課堂]

1、葉輪機械原理 北京航空航天大學 能源與動力工程學院 流體機械系 二零零六年三月,1,詳細課資,第一章 緒 論,本課程的學習 作業(yè)（40）、考試（60） 教材： 1）航空燃氣輪機原理（上） 彭澤琰、劉剛 編著 國防工業(yè)出版社 2000年 2）葉輪機械原理（講義） 流體機械系 編 2006年,2,詳細課資,第一章 緒 論,主要參考書： 1）船用燃氣輪機軸流式葉輪機械氣動熱力學（原理、設計與試驗研究），李根深、陳乃興、強國芳， 國防工業(yè)出版社，1980年 2）葉輪機械原理 舒士甄、朱力、柯玄齡、蔣滋康，清華大學出版社，1991年 3）Cumpsty N.A., Compressor aerodyna

2、mics, Longman Scientific & Technical, 1989.,3,詳細課資,第一章 緒 論,4）離心式壓縮機原理 徐忠，機械工業(yè)出版社，1990 5）軸流壓氣機氣動設計，秦鵬 譯，NASA-SP-36，1965 6）泵與風機（第二版）， 郭立均， 中國電力出版社，1997年 7）葉輪機械-原理與結構，鮑爾，W.，1984年6月第1版,4,詳細課資,第一章 緒 論,一、葉輪機的廣泛應用 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）、航空發(fā)動機中的風扇、壓氣機、渦輪 ,5,詳細課資,6,詳細課資,7,詳細課資,8,詳細課資,9,詳細課資,10,詳

3、細課資,11,詳細課資,12,詳細課資,13,詳細課資,14,詳細課資,15,詳細課資,16,詳細課資,UDF on Boeing 727 test bed,17,詳細課資,GP7200 for the Airbus A380,T.O. Thrust 70,000 lb Bypass ratio 8.7 to 1 Fan Diameter 116 in (295 cm),18,詳細課資,19,詳細課資,第一章 緒 論,二、葉輪機的定義與分類 各式各樣的葉輪機存在一個共同的特點 葉片圍繞旋轉軸旋轉，在葉片的旋轉過程中完成了葉片機與工質（流體：氣、液、二者混合物）之間的能量交換； 根據葉輪機與流體

4、之間能量交換的方向，葉輪機分為兩大類型。,20,詳細課資,第一章 緒 論,一種類型葉輪機的作用是將流體的機械能和熱能轉換為對外界輸出的機械功，這種葉輪機有：水輪機、汽輪機、渦輪等； 另一種類型葉輪機的作用是將外界輸入的機械功轉換為流體的機械能（動能和壓力勢能）和熱能，這種葉輪機有：鼓風機、水泵、螺旋槳、風扇、壓氣機等。,21,詳細課資,第一章 緒 論,三、葉輪機的主要形式 根據工質的流動形式，葉輪機分為軸流式、徑流式和斜流式三種形式， 上述三種形式中的任意兩種的組合則稱為混合式葉輪機。,22,詳細課資,第一章 緒 論,（一）軸流式,軸流式壓氣機 轉子,23,詳細課資,軸流式渦輪 轉子,第一章

5、緒 論,24,詳細課資,第一章 緒 論,軸流泵,軸流式水輪機轉子,25,詳細課資,（二）徑流式,離心式壓氣機 轉子,第一章 緒 論,26,詳細課資,第一章 緒 論,圖 1.9 DA12061離心式壓縮機縱剖面構造圖 1、吸氣室； 2、葉輪； 3、擴壓器； 4、彎道； 5、回流器； 6、蝸室； 7、8、軸端密封； 9、隔板密封； 10、輪蓋密封； 11、平衡盤； 12、推力盤； 13、聯(lián)軸器； 14、卡環(huán)； 15、主軸； 16、機殼； 17、支持軸承； 18、止推軸承； 19、隔板； 20、回流器導流葉片； 21、中間冷卻吸氣管； 22、出氣管,27,詳細課資,第一章 緒 論,離心式水泵,28,

6、詳細課資,向心式渦輪,第一章 緒 論,29,詳細課資,第一章 緒 論,（三）斜流式,斜流式壓氣機 轉子,30,詳細課資,混合式壓氣機,第一章 緒 論,31,詳細課資,第一章 緒 論,32,詳細課資,第一章 緒 論,渦輪增壓器,33,詳細課資,第一章 緒 論,34,詳細課資,第一章 緒 論,四、氣流在壓氣機和渦輪中的流動特點 氣流在壓氣機中是從壓力低的地方流向壓力高的地方，沿流向是逆壓梯度； 壓氣機一級的增壓能力相對較小，壓氣機的級數多；,35,詳細課資,第一章 緒 論,氣流在渦輪中是從壓力高的地方流向壓力低的地方，沿流向是順壓梯度； 渦輪一級的作功能力相對較大，渦輪的級數少；,36,詳細課資,

7、第一章 緒 論,多級壓氣機存在一個非常重要的問題級與級之間的匹配問題,37,詳細課資,第一章 緒 論,五、葉輪機研究的意義 葉輪機與能源的消耗和能源的利用密切相關； 研制各種類型的高效率、低消耗的葉輪機， 可為建設節(jié)約型社會做出重要貢獻。,38,詳細課資,第一章 緒 論,六、航空葉片機的發(fā)展概況 航空葉片機發(fā)展到目前的水平，最主要的進步是在最近幾十年取得的。 人類實現(xiàn)動力飛行夢想已100年，前四十年使用的是活塞式發(fā)動機。,39,詳細課資,1903年12月17日，美國萊特兄弟把活塞發(fā)動機用于飛行者1號上，完成了世界上首次載人動力飛行。,第一章 緒 論,“飛行者”1號采用的活塞式發(fā)動機,40,詳細

8、課資,第一章 緒 論,1930年，英國人弗蘭克惠特爾獲得了燃氣渦輪發(fā)動機專利，這是第一個具有實用性的噴氣發(fā)動機設計。但第一架噴氣飛機（He-178）卻出現(xiàn)在德國，于1939年8月27日首飛。,41,詳細課資,The Second Jet Flight - Aug. 27, 1940,Caproni-Campini CC-2,42,詳細課資,British Gloster E.28/39 / Whittle W-1X jet engine,The Third Jet Flight - May 15, 1941,43,詳細課資,第一章 緒 論,早期的航空葉片機（壓氣機、渦輪）的設計主要是依靠實驗研

9、究的手段。 20世紀五十年代，中國旅美學者吳仲華先生提出兩個流面（S1和S2 ）的理論，葉片機設計的理論計算研究開始取得突破性進展。,44,詳細課資,第一章 緒 論,S1和S2流面,45,詳細課資,S1流面,第一章 緒 論,46,詳細課資,S2流面,第一章 緒 論,47,詳細課資,第一章 緒 論,20世紀60年代Novak等人發(fā)展出了S2流面上的流線曲率法（流線迭代法）。 流線曲率法將三維空間問題化簡為S2流面上的準三維問題。 補充兩個模型方程（經驗關系式）： 流動損失模型 和 落后角模型,48,詳細課資,第一章 緒 論,20世紀90年代以后，計算流體力學（Computational Flui

10、d Dynamics, CFD）在葉輪機設計中所起的作用越來越大。 IHPTET計劃（1988年2003年） （Integrated High Performance Turbine Engine Technology , 綜合高性能渦輪發(fā)動機技術）,49,詳細課資,第一章 緒 論,IHPTET計劃要用15年的時間實現(xiàn)過去40 年所取得的進步 推重比翻一倍，達到1520， SFC下降4050。 （Specific Fuel Consumption，單位燃油消耗率）,50,詳細課資,Comparison of CJ805 and GE90 Compressor Systems,CJ805 cir

11、ca 1960 12.5:1 pressure ratio,51,詳細課資,第一章 緒 論,七、葉輪機械內部的復雜流動,葉輪機通常由多級組成，而每一級中又分成轉子部分（動葉和輪轂）和靜子部分（靜葉和機匣）； 早期的壓氣機葉型源于飛機翼型。迄今，葉輪機內流動的研究思路仍然可以追溯到在機翼上首先研究成功的成果。,52,詳細課資,第一章 緒 論,53,詳細課資,葉片繞流比飛機翼型繞流要復雜得多，直接沿用翼型繞流的成熟概念往往不能成功，必需考慮葉輪機械本身的特殊性和復雜性。 葉輪機內部流動的特殊性： 1）葉型不是孤立存在，它受到相鄰葉型的影響； 2）葉輪機屬于旋轉機械，葉片從根到尖的展向流動變化非常大； 3）葉輪機通常存在內外環(huán)壁邊界。,第一章 緒 論,54,詳細課資,第一章 緒 論,葉輪機內部流動的復雜性： 1）流動的三維性 ； 2）流體的可壓縮性 ； 3）流體的粘性 ； 4）流動的非定常性。,55,詳細課資,第一章 緒 論,56,詳細課資,第一章 緒 論,八、葉輪機械內部復雜流動的簡化 假設流動是定常的； 假設流動是軸對稱的； 假定粘性作用主要在邊界層中。,57,詳細課資,第一章 緒 論,九、葉輪機械設計過程簡介