離心式壓氣機的工作原理

1、航空發(fā)動機原理壓氣機的工作原理根據(jù)氣流在壓氣機的流動方向，可將壓氣分為兩大類，氣流沿離開葉輪中心方向流動的葉做離心式壓氣機；氣流沿與葉輪軸平行方向流動的叫做軸流式壓氣機。此外還有軸流式與離心式壓氣機混合而成的混合式壓氣機。目前使用最廣泛的是軸流式壓氣機，以下將作重點介紹。軸流式壓氣機的基本組成，由靜子和轉(zhuǎn)子組成。靜子由多排葉片組成，這些葉片叫做整流葉片，由一排流葉片組成的圓環(huán)叫做整流環(huán)，各整流環(huán)固定在機匣上。轉(zhuǎn)子由多排葉輪組成，每一排葉輪上固定了許多工作葉片，壓氣機葉輪最終能過葉輪軸與渦輪的工作葉輪軸相連，并由渦輪帶動高速旋轉(zhuǎn)。軸流式壓氣機的葉輪和整流環(huán)是交錯排列的。一個葉輪和后面相鄰的整流環(huán)

2、構(gòu)成了壓氣機的一級。單級壓氣機增壓比不高。一般約為1.2-1.8。為了得到更高的增壓比，目前用在民航機上的渦扇發(fā)動機的軸流式壓氣機級數(shù)常為10-20級，壓氣機增壓比高達30-40。有些軸流式壓氣機的進口安裝了一排固定的導流葉片，它們所組成的圓環(huán)叫做導流環(huán)?？諝庠趬簹鈾C中的流動從進氣道流入壓氣機的空氣，首先流過導流環(huán)，然后依次流過各級的葉輪和整流環(huán)，最后從末級整流環(huán)流出進入燃燒室。由于空氣在壓氣機中的流動較為復雜，同時氣流在不同半徑葉片通道內(nèi)的流動大體相仿，為了便于分析，我們假想用一條通過各級葉輪平均地半徑處的直線繞葉輪旋轉(zhuǎn)，來切割葉輪和整流環(huán)葉片，得到壓氣機“基本級”，每級壓氣機可看成是很多基

3、元級相疊加而成。所以空氣在基元級中的流動可看成壓氣機工作的縮影。把所得到的基元級切片在平面上展開，就得到平面葉柵圖形。目前大多數(shù)航空燃氣輪機都采用軸流式壓氣機，只有小功率、小流量的渦軸和渦漿發(fā)動機上才采用離心式壓氣機。在20世紀40年代末和50年代初、渦噴發(fā)動機也曾采用離心式壓氣機。離心式壓氣機由導流器, 葉輪, 擴壓器, 導氣管等部分組成，葉輪和擴壓器是其中兩個主要部件。導流器：安裝在葉輪的進口處，其通道是收斂形的 使氣流以一定方向均勻進入工作葉輪, 以減小流動損失，空氣在流過它時速度增大,而壓力和溫度下降。葉輪：是高速旋轉(zhuǎn)的部件，葉輪上葉片

4、間的通道是擴張形的，空氣在流過它時, 對空氣作功, 加速空氣的流速, 同時提高空氣的壓力。擴壓器：位于葉輪的出口處，其通道是擴張形的，空氣在流過它時將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫ξ荒埽?#160;速度下降, 壓力和溫度都上升 。導氣管 ：使氣流變?yōu)檩S向, 將空氣引入燃燒室 。離心式壓氣機屬于葉片機械，其工作原理是以高速氣流與工作葉輪和固定葉片的相互動力作用為基礎，與容積式壓氣機相比離心式壓氣機的優(yōu)點是：消耗同樣的功率時， 比容積式壓氣機的效率高，并能得到較高的增壓壓力，一般能達到0.1470.196MPa以上；結(jié)構(gòu)簡單緊湊，重量

5、輕，金屬消耗量少。目前離心式壓氣機在內(nèi)燃機增壓方面獲得廣泛的應用。離心式壓氣機的缺點是隨著轉(zhuǎn)速的降低，增壓壓力便急劇下降。 空氣經(jīng)濾清器進入氣道，進氣道的斷面沿氣流方向逐漸縮小，以便提高氣流的穩(wěn)定性。進氣道一定要能保證在流動損失為最小的情況下，把空氣均勻地導向工作輪。工作輪裝裝花鏈軸上，尺寸小的可安裝在光軸上。工作輪可由曲軸通過機械驅(qū)動，也可直接由渦輪機驅(qū)動?？諝庋剡M氣道進入工作輪隨工作輪一起旋轉(zhuǎn)，受到離心力的作用沿著工作輪上葉片所構(gòu)成的通道流動，使空氣受到壓縮，這時壓力從P1增加到P2，氣流速度從c1增加到c2，驅(qū)動工作輪的機械功轉(zhuǎn)化為空氣在工作輪中獲得的動能，和以壓力形式表現(xiàn)的勢能。工作輪

6、出口處的功能一般為氣流總能量的一半，因此，在工作輪后裝有擴壓器，使其轉(zhuǎn)換為壓力能。當氣流在擴壓器中流動時，由于流通面不斷擴大，氣流的速度從c2下降到c3，壓力從P2升高到P3。此時產(chǎn)生的損失是壓氣機損失中的主要部分。吁片式擴壓器的損失比無葉片式擴壓器的損失為小。 自擴壓器周圍出來的空氣進入蝸形管，從此進入發(fā)動機的進氣管，根據(jù)增壓器在發(fā)動機上的配置位置不同，蝸形管可以有一個或數(shù)個出口管。 工作輪是壓氣機的主要零件，在工作中使空氣受到壓縮并獲得動能。工作輪一般用鋁臺金制造，以大大減少作用在工作輪上的離心力。在現(xiàn)代增壓器中，離心力可達很高的數(shù)值，有時可能比零件的重量大5萬到10萬倍。 工作輪可制成半

7、開式或閉式的，將徑向葉片和輪盤制成一體。半開式工作輪的特點是強度高，工藝性好，當空氣流經(jīng)葉片間的溝槽時，流動損失變化平緩。閉式工作輪還具有前封閉蓋，特點是可大大降低流動損失和空氣與殼體的摩擦損失，但工藝復雜。由于工作輪背后b處的空氣壓力比工作輪前面的壓力高，為了減少由于壓差造成的 使輪盤向左移動的軸向推力，在工作輪毀上鉆有平衡aa如下圖，以使工作輪前后的壓力得到平衡。工作輪進口處的葉片順著工作輪轉(zhuǎn)動方向扭轉(zhuǎn)一定角度，通常稱為導向器，其作用是使空氣進入工作輪時不發(fā)生沖擊現(xiàn)象。導向器與工作輪制成一體，導向器也可單獨制造與工作輪裝在一起。閉式工作輪與半開式工作輪不同之處是具有前封閉蓋，其特點是可以大

8、大降低空氣流經(jīng)相鄰葉片溝槽時的損失和空氣與完體的摩擦損失，這種工作輪適宜于耗氣量大、增壓比高的發(fā)動機壓氣機，增壓比愈高、耗氣量愈大，封閉式工作輪的優(yōu)點就愈突出。但這種工作輪又重又大，制造難度比半開式工作輪高。壓氣機性能的主要參數(shù)是：單位時間內(nèi)壓氣機提供給內(nèi)燃機的空氣量，稱為流量，并有兩種表示方法。容積流量為單位時間內(nèi)所提供的空氣客積V(m3/h或m3/min)，重量流量為單位時間內(nèi)所提供的空氣重量Gk(kg/s)。另一個參數(shù)是增壓比或壓力升高比，為壓氣機出口空氣壓力pk與進口空氣壓力p0之比，表示為=pk/p0。導流葉片的葉型與機翼的翼型相似，其前緣的分向沿發(fā)動機軸向，后緣沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向彎曲，

9、葉片間的通道略成收劍形?？諝庖运俣菴，沿軸向進入導流環(huán)，在導流環(huán)內(nèi)，流速稍有增大。流出導流環(huán)時，氣流順葉片彎曲的方向偏轉(zhuǎn)，速度變?yōu)镃(1)。氣流在導流環(huán)中發(fā)生的沿葉輪旋轉(zhuǎn)面的偏斜作用叫做預旋，相應的氣流切向分速C(1)u叫做預旋量。相對于以圓周速度u運動的葉輪來說，氣流流進葉輪的相對速度W(1)等于氣流絕對速度C(1)與牽連速度即葉輪圓周速度u的矢量差，它與葉輪旋轉(zhuǎn)面所成的夾角為(1)。氣流流過彎曲形的葉輪葉柵通道時，流動方向逐漸改變，最后順著彎曲的葉片通道，以相對速度W（2）自葉輪流出。由于葉輪通道呈擴散形，所以葉輪出口氣流相對速度較葉輪進口氣流相對速度小，且出口氣流相對速度與葉輪旋轉(zhuǎn)面所成

10、的夾角為(2)，要大進口相應夾角(1)。葉輪出口氣流的絕對速度C（2）為氣流相對速度W（2）與圓周速度u的矢量和。在這里我們可以看出，葉輪進口氣流絕對速度在沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向有一速度分量，就是經(jīng)導流葉片預旋作用后產(chǎn)生的預旋量C(1)u。有了此預旋量一方面可以在不增加葉輪進口氣流相對速度情形下，通過提高葉輪圓周速度來提高葉輪功，增強葉輪增壓能力；另一方面如果沒有增加葉輪圓周速度，則將使葉輪進口相對速度W(1)減少，方向變平，從而減小氣流進入葉輪時的損失。 氣流以絕地速度C(2)流進整流環(huán)，然后順著彎曲的通道向后流動。因整流環(huán)通道形狀呈擴散性，所以氣流在整流環(huán)中絕對速度將減小。最終流出整流環(huán)的氣流速度C(2)略等于葉輪進口氣流絕對速度C