葉輪機械原理

1、葉輪機械原理葉輪機械原理北京航空航天大學北京航空航天大學能源與動力工程學院能源與動力工程學院流體機械系流體機械系二零零六年三月二零零六年三月第一章第一章 緒緒 論論 本課程的學習本課程的學習 作業(yè)（作業(yè)（40）、考試（）、考試（60） 教材：教材： 1 1）航空燃氣輪機原理（上）航空燃氣輪機原理（上） 彭澤琰、劉剛彭澤琰、劉剛 編著編著 國防工業(yè)出版社國防工業(yè)出版社 20002000年年2 2）葉輪機械原理（講義）葉輪機械原理（講義） 流體機械系流體機械系 編編 20062006年年第一章第一章 緒緒 論論 主要參考書：主要參考書： 1 1）船用燃氣輪機軸流式葉輪機械氣動熱力學（原理、船用燃氣

2、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，設計與試驗研究），李根深、陳乃興、強國芳，國防工業(yè)出版社，國防工業(yè)出版社，1980年年2 2）葉輪機械原理葉輪機械原理 舒士甄、朱力、柯玄齡、蔣滋康，舒士甄、朱力、柯玄齡、蔣滋康，清華大學出版社，清華大學出版社，19911991年年3 3）Cumpsty N.A., Compressor aerodynamics, Longman Scientific & Technical, 1989.第一章第一章 緒緒 論論 4 4）離心式壓縮機原理離心式壓縮機原理 徐忠，機械工業(yè)出版社，徐忠，機械工業(yè)出版社，1990

3、5 5）軸流壓氣機氣動設計，秦鵬軸流壓氣機氣動設計，秦鵬 譯，譯，NASA-SP-36，19656 6）泵與風機（第二版），泵與風機（第二版）， 郭立均，郭立均， 中國電力出版社，中國電力出版社，1997年年 7）葉輪機械葉輪機械-原理與結構，鮑爾，原理與結構，鮑爾，W.，1984年年6月第月第1版版 第一章第一章 緒緒 論論 一、葉輪機的廣泛應用一、葉輪機的廣泛應用 風車、水車、電風扇、鼓風機、汽輪機、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、渦輪空發(fā)動機中的風扇、壓氣機、渦輪 UDF on Bo

4、eing 727 test bedGP7200 for the Airbus A380T.O. Thrust 70,000 lbBypass ratio 8.7 to 1Fan Diameter 116 in (295 cm) 第一章第一章 緒緒 論論二、葉輪機的定義與分類二、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(zhì)（流體：氣、液、二者完成了葉片機與工質(zhì)（流體：氣、液、二者混合物）之間的能量交換；混合物）之間的能量交換； 根據(jù)葉輪機與流體之間能量交換的

5、方向，葉根據(jù)葉輪機與流體之間能量交換的方向，葉輪機分為兩大類型。輪機分為兩大類型。第一章第一章 緒緒 論論一種類型葉輪機的作用是將流體的機械能和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；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）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、螺和熱能，這種葉輪機有：鼓風機、水泵、螺旋槳、風扇、壓氣機等。旋槳、風扇、壓氣機等。第一章

6、第一章 緒緒 論論三、葉輪機的主要形式三、葉輪機的主要形式 根據(jù)工質(zhì)的流動形式，葉輪機分為軸流式、根據(jù)工質(zhì)的流動形式，葉輪機分為軸流式、徑流式和斜流式三種形式，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上述三種形式中的任意兩種的組合則稱為混合式葉輪機。合式葉輪機。 第一章第一章 緒緒 論論（一）軸流式（一）軸流式軸流式壓氣機軸流式壓氣機 轉子轉子軸流式渦輪軸流式渦輪 轉子轉子第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論軸流泵軸流泵軸流式水輪機轉子軸流式水輪機轉子（二）徑流式（二）徑流式離心式壓氣機離心式壓氣機 轉子轉子 第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論圖

7、 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、出氣管第一章第一章 緒緒 論論離心式水泵離心式水泵向心式渦輪向心式渦輪第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論（三）斜流式（三）斜流式斜流式壓氣機斜流式壓氣機 轉子轉子混合式壓氣機混合式壓氣機第一章第一章 緒緒 論論第一章

8、第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論渦輪增壓器渦輪增壓器第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論四、氣流在壓氣機和渦輪中的流動特點四、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，壓氣壓氣機一級的增壓能力相對較小，壓氣機的級數(shù)多；機的級數(shù)多；第一章第一章 緒緒 論論 氣流在渦輪中是從壓力高的地方流向壓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；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，渦輪的渦輪

9、一級的作功能力相對較大，渦輪的級數(shù)少；級數(shù)少；第一章第一章 緒緒 論論 多級壓氣機存在一個非常重要的問題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級與級之間的匹配問題第一章第一章 緒緒 論論五、葉輪機研究的意義五、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；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，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。可為建設節(jié)約型社會做出重要貢獻。第一章第一章 緒緒 論論六、航空葉片機的發(fā)展概況六、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，最主要的航空葉片機發(fā)展到目前的水

10、平，最主要的進步是在最近幾十年取得的。進步是在最近幾十年取得的。人類實現(xiàn)動力飛行夢想已人類實現(xiàn)動力飛行夢想已100100年，前四十年年，前四十年使用的是活塞式發(fā)動機。使用的是活塞式發(fā)動機。 19031903年年1212月月1717日，美國萊特兄弟把活塞發(fā)動機用日，美國萊特兄弟把活塞發(fā)動機用于飛行者于飛行者1 1號上，完成了世界上首次載人動力飛行。號上，完成了世界上首次載人動力飛行。第一章第一章 緒緒 論論 “飛行者飛行者”1 1號采用的活塞式發(fā)動機號采用的活塞式發(fā)動機第一章第一章 緒緒 論論 19301930年，英國人弗蘭克年，英國人弗蘭克惠特爾獲得了燃氣渦惠特爾獲得了燃氣渦輪發(fā)動機專利，這是

11、第一個具有實用性的噴氣發(fā)動輪發(fā)動機專利，這是第一個具有實用性的噴氣發(fā)動機設計。機設計。但第一架噴氣飛機（但第一架噴氣飛機（He-178He-178）卻出現(xiàn)在德）卻出現(xiàn)在德國，于國，于19391939年年8 8月月2727日首飛。日首飛。The Second Jet Flight - Aug. 27, 1940Caproni-Campini CC-2British Gloster E.28/39 / Whittle W-1X jet engineThe Third Jet Flight - May 15, 1941第一章第一章 緒緒 論論 早期的航空葉片機（壓氣機、渦輪）的設早期的航空葉片機（壓

12、氣機、渦輪）的設計主要是依靠實驗研究的手段。計主要是依靠實驗研究的手段。2020世紀五十年代，中國旅美學者吳仲華先世紀五十年代，中國旅美學者吳仲華先生提出兩個流面（生提出兩個流面（S1和和S2 ）的理論，葉片）的理論，葉片機設計的理論計算研究開始取得突破性進展。機設計的理論計算研究開始取得突破性進展。第一章第一章 緒緒 論論S1和和S2流面流面S1流面流面第一章第一章 緒緒 論論S2流面流面第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論 20 20世紀世紀6060年代年代NovakNovak等人發(fā)展出了等人發(fā)展出了S S2 2流流面上的流線曲率法（流線迭代法）。面上的流線曲率法（流線迭代法）

13、。 流線曲率法將三維空間問題化簡為流線曲率法將三維空間問題化簡為S S2 2流流面上的準三維問題。面上的準三維問題。 補充兩個模型方程（經(jīng)驗關系式）：補充兩個模型方程（經(jīng)驗關系式）： 流動損失模型流動損失模型 和和 落后角模型落后角模型第一章第一章 緒緒 論論 20 20世紀世紀9090年代以后，計算流體力學年代以后，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）在葉輪機設計中所起的作用越來越大。在葉輪機設計中所起的作用越來越大。 IHPTET計劃（計劃（19881988年年20032003年）年）（Integrated High Performance T

14、urbine Engine Technology , , 綜合高性能渦輪發(fā)動機技術）綜合高性能渦輪發(fā)動機技術） 第一章第一章 緒緒 論論 IHPTET計劃要用計劃要用1515年的時間實現(xiàn)過去年的時間實現(xiàn)過去4040 年所取得的進步年所取得的進步 推重比翻一倍，達到推重比翻一倍，達到15152020， SFC下降下降40405050。（Specific Fuel Consumption，單位燃油消耗率單位燃油消耗率）GE90 circa 199644:1 systempressure ratioFanBoosterHP (core)compressorComparison of CJ805 an

15、d GE90 Compressor SystemsCJ805 circa 196012.5:1 pressure ratio第一章第一章 緒緒 論論七、七、葉輪機械內(nèi)部的復雜流動葉輪機械內(nèi)部的復雜流動 葉輪機通常由多級組成，而每一級中又分成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（靜葉和轉子部分（動葉和輪轂）和靜子部分（靜葉和機匣）；機匣）； 早期的壓氣機葉型源于飛機翼型。迄今，葉早期的壓氣機葉型源于飛機翼型。迄今，葉輪機內(nèi)流動的研究思路仍然可以追溯到在機翼輪機內(nèi)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。上首先研究成功的成果。 第一章第一章 緒緒 論

16、論葉片繞流比飛機翼型繞流要復雜得多，直接沿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。葉輪機械本身的特殊性和復雜性。葉輪機內(nèi)部流動的特殊性：葉輪機內(nèi)部流動的特殊性：1 1）葉型不是孤立存在，它受到相鄰葉型的影響；）葉型不是孤立存在，它受到相鄰葉型的影響；2 2）葉輪機屬于旋轉機械，葉片從根到尖的展向）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；流動變化非常大；3 3）葉輪機通常存在內(nèi)外環(huán)壁邊界。）葉輪機通常存在內(nèi)外環(huán)壁邊界。 第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論

17、葉輪機內(nèi)部流動的復雜性：葉輪機內(nèi)部流動的復雜性： 1 1）流動的三維性）流動的三維性 ； 2 2）流體的可壓縮性）流體的可壓縮性 ； 3 3）流體的粘性）流體的粘性 ； 4 4）流動的非定常性。）流動的非定常性。 第一章第一章 緒緒 論論第一章第一章 緒緒 論論八、八、葉輪機械內(nèi)部復雜流動的簡化葉輪機械內(nèi)部復雜流動的簡化 假設流動是定常的；假設流動是定常的； 假設流動是軸對稱的；假設流動是軸對稱的； 假定粘性作用主要在邊界層中。假定粘性作用主要在邊界層中。 第一章第一章 緒緒 論論九、葉輪機械設計過程簡介九、葉輪機械設計過程簡介 子午面流道的確定；子午面流道的確定； 子午面（或子午面（或S S2m2