多級軸流壓氣機(jī)

1、 多級軸流壓氣機(jī)是由各個單級組成，所以就多級軸流壓氣機(jī)的任何一個級而言，其基元級和級的氣動設(shè)計原理和單級的完全相同，這就是多級壓氣機(jī)和單級壓氣機(jī)的共同點。 但是，許多個單級按照一定次序組成多級壓氣機(jī)以后，由于各個級在流程中的位置不同，它們的幾何尺寸特征和進(jìn)口參數(shù)是各不相同的，因而形成了多級軸流壓氣機(jī)中各個級的特殊性。由于有這個特殊性，各級的參數(shù)（包括加功量的分配、軸向速度的選定等）都有不同，本節(jié)從多級軸流壓氣機(jī)設(shè)計及其工作特點兩個方面加以介紹和討論。葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī) 主要內(nèi)容1、為什么采用多級壓氣機(jī)？2、多級軸流壓氣機(jī)的效率及參數(shù)。3、附面層對多級壓氣機(jī)流量的影響。4、多級壓

2、氣機(jī)通道形式。5、多級壓氣機(jī)設(shè)計過程中參數(shù)的選擇。 學(xué)時 2學(xué)時葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī) 為什么采用多級壓氣機(jī)？1、壓比越高燃機(jī)效率越高。2、單級壓比較低，一般為1.3左右。燃機(jī)循環(huán)T-S圖理想簡單循環(huán)熱效率葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)7.1多級軸流壓氣機(jī)設(shè)計概要（一）多級軸流壓氣機(jī)氣動設(shè)計的主要要求和設(shè)計思想 尺寸小、重量輕、性能好、安全可靠是對壓氣機(jī)的基本要求，在壓氣機(jī)的氣動設(shè)計中上述要求可歸納為：在保證壓氣機(jī)安全可靠工作的前提下（應(yīng)有足夠的失速裕度等），使壓氣機(jī)具有高的級加功量（因而壓氣機(jī)級數(shù)少、重量輕、軸向尺寸?。?，高的流通能力（壓氣機(jī)徑向尺寸?。┖透咝?。葉輪機(jī)械原理

3、第七章 多級軸流壓氣機(jī)（二）多級軸流壓氣機(jī)中各個級的特點 1、第一級（1）流入第一級壓氣機(jī)的氣體未經(jīng)增壓，密度小，在流過同樣的空氣量前提下，第一級需要流通面積最大；（2）氣流馬赫數(shù)容易達(dá)到臨界值。（3）發(fā)動機(jī)在偏離設(shè)計狀態(tài)下工作時，第一級壓氣機(jī)的進(jìn)口流動情況（氣流方向和大小）偏離設(shè)計點最遠(yuǎn)。（4）第一級壓氣機(jī)（或風(fēng)扇）動葉最長，強(qiáng)度和振動問題多。葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)2、 后面級，多級軸流壓氣機(jī)的后面級的工作條件和特點跟第一級壓氣機(jī)完全不一樣，其區(qū)別為：（1）氣體流經(jīng)壓氣機(jī)各級以后，總壓總溫大大提高，后面級壓氣機(jī)一般不存在馬赫數(shù)超限和葉柵堵塞問題。但是，壓氣機(jī)后面級的葉片很短（后面

4、級壓氣機(jī)輪轂比可高達(dá)0.85-0.90），因此二次流和環(huán)壁附面層引起的損失非常嚴(yán)重。（2）多級軸流壓氣機(jī)的后面級偏離設(shè)計工作點很遠(yuǎn)且為大的正攻角，因而喘振首先發(fā)生在后面級壓氣機(jī)。（3）由于通道環(huán)壁附面層是逐級加厚的，它所引起的軸向速度變形問題愈往后愈嚴(yán)重。（4）最后一級壓氣機(jī)和燃燒室相連，故最后一級壓氣機(jī)軸向速度較低，在一定加功量前提下，后面級壓氣機(jī)的反力度容易偏大。葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī) 3. 中間級 由于中間級壓氣機(jī)的總溫已經(jīng)增高，一般不容易出現(xiàn)馬赫數(shù)超限問題。此外，中間級壓氣機(jī)的輪轂比也適中，壓氣機(jī)效率較高，所以，在多級軸流壓氣機(jī)設(shè)計中，一般在中間級壓氣機(jī)中分配的加功量最大（

5、除進(jìn)口超、跨聲級以外）。還應(yīng)該指出，在發(fā)動機(jī)的非設(shè)計狀態(tài)下工作時，中間級壓氣機(jī)的速度三角形變化較小，不易失速，效率高。葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)7.2多級軸流壓氣機(jī)的增壓比與效率一、增壓比葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)二、多級效率 多級壓氣機(jī)的效率和單級壓氣機(jī)效率之間的關(guān)系與多級壓氣機(jī)效率的定義和單級壓氣機(jī)效率的定義一樣，也是等熵功和輪緣功之比。 多級壓氣機(jī)效率定義圖葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)由上圖可以看出：由單級壓氣機(jī)效率定義：所以得：所以多級效率為：葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)二、多級效率與單級效率大小比較 多級壓氣機(jī)效率比各個分級的級效率（或諸分級的平均級效率）

6、低。由上圖可以看出：式中：多級壓氣機(jī)的等熵壓縮功分別代表第1級、第2級和第3級 壓氣機(jī)的級增壓比。諸分級的等熵功之和為：由于：所以：即：即：葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)為分析比較方便起見，假定各單級壓氣機(jī)效率相同，即根據(jù)合比定理，得：所以，得：即：多級壓氣機(jī)效率比各個分級的級效率（或諸分級的平均級效率）低。葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)原因分析： 從以上推證可以看出，所謂多級壓氣機(jī)效率比諸分級壓氣機(jī)效率低的原因，完全是由于效率定義中的等熵功不同而引起。 多級壓氣機(jī)效率定義中的等熵功是由T0*出發(fā)的等熵線上的相應(yīng)點總溫計算而得的，而各分級壓氣機(jī)效率定義中的等熵功則是由各級的實際初始溫度

7、值Ti *計算的。顯然，實際過程終了的溫度當(dāng)然比對應(yīng)于相同增壓比和相同起始溫度條件下的等熵過程終了的溫度為高。 目前：多級壓氣機(jī)的效率約為：0.88左右，如*燃?xì)廨啓C(jī)高、低壓壓氣機(jī)效率分別為：0.8662和0.8666。葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)7.3附面層對多級壓氣機(jī)流量的影響一、附面層引起的軸向速度的分布環(huán)壁附面層引起的軸向速度分布變形右圖為環(huán)壁附面層引起的軸向速度變形示意圖。由于附面層逐級變厚和流動通道的逐漸減小，因此，越往后軸向速度分布變形越大。葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)二、軸向速度變化對速度三角形的影響在端壁區(qū)，軸向速度因粘性而減小，加功量加大在中心區(qū)，軸向速度大于設(shè)

8、計值，加功量減小葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)三、輪緣功修正系數(shù)（減功系數(shù)） 由于附面層引起的軸向速度變化而使得加工量發(fā)生了變化，總的效果是使輪緣功降低。一般考慮設(shè)計計算時增加加工量來加以修正。該修正量叫做輪緣功修正系數(shù)。 KL范圍為：第一級0.97， 后面級0.91。所以，輪緣功Lu=lud/ KL.葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)四、流量修正正系數(shù)壓氣機(jī)設(shè)計中引用流量貯備系數(shù)Km進(jìn)行環(huán)壁附面層位移厚度修正，將通道環(huán)形面積放大到Km倍（Km11.0），以保證各通道截面的平均軸向速度設(shè)計值。現(xiàn)代壓氣機(jī)設(shè)計采用耦合環(huán)壁附面層的三元流場計算方法，大大改善了壓氣機(jī)的性能，包括效率提高和失速裕度增加。葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)7.4軸流壓氣機(jī)通流形式1、等外徑通道，其優(yōu)點是各級平均半徑逐級加大，因而有利于增加各級作功能力。2、等內(nèi)徑通道，它適用于小流量壓氣機(jī)，有利于增大后面級壓氣機(jī)葉片的高度。3、等中徑通道，它是上述兩種方案的折衷。葉輪機(jī)械原理第七章 多級軸流壓氣機(jī)4、現(xiàn)代高涵道比風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇壓氣機(jī)流路示意