葉輪機(jī)械原理-chapter4

第四章軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)《葉輪機(jī)械原理》教研組能源與動(dòng)力工程學(xué)院北京航空航天高校本節(jié)作業(yè)1.推導(dǎo)簡(jiǎn)化徑向平衡方程，并說明徑向壓力梯度的產(chǎn)朝氣理。2.試證明等反力度扭向規(guī)律中，氣流的周向速度隨半徑是增加的。2006-3引言→正問題→反問題Given：壓氣機(jī)幾何和工作條件Solution：壓氣機(jī)性能分析問題Given：壓氣機(jī)性能和工作條件Solution：壓氣機(jī)幾何氣動(dòng)設(shè)計(jì)問題設(shè)計(jì)問題2006-3氣動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、規(guī)范和數(shù)據(jù)庫(kù)總性能指標(biāo)一維設(shè)計(jì)通流設(shè)計(jì)葉片造型全三維數(shù)值模擬設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能預(yù)估結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和振動(dòng)設(shè)計(jì)級(jí)數(shù)、級(jí)壓比、級(jí)效率、轉(zhuǎn)速和流道等確定各排葉片的速度三角形，以及葉片造型需要的其它參數(shù)。確定各排葉片三維幾何形狀分析壓氣機(jī)內(nèi)部三維流動(dòng)，檢查流動(dòng)是否存在明顯缺陷。近轉(zhuǎn)子吸力面馬赫數(shù)分布引言氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程流量、壓比、效率等分析各個(gè)轉(zhuǎn)速下的壓氣機(jī)性能流道2006-3引言如何確定速度三角形如何進(jìn)行葉片造型多級(jí)軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的基本問題全三維數(shù)值計(jì)算在葉輪機(jī)械氣動(dòng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)某些發(fā)展趨勢(shì)本章主要內(nèi)容2006-3軸流壓氣機(jī)速度三角形的確定背景及意義知道了流量、轉(zhuǎn)速、流道、級(jí)壓比和級(jí)效率，是否就可以畫出轉(zhuǎn)子各個(gè)基元的速度三角形？（設(shè)計(jì)中各個(gè)基元的壓比和效率是給定的）各排葉片基元速度三角形的確定是壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)的核心！2006-3各個(gè)基元軸流壓氣機(jī)速度三角形的確定背景及意義

知道了流量、轉(zhuǎn)速、流道、級(jí)壓比和級(jí)效率，是否就可以畫出轉(zhuǎn)子各個(gè)基元的速度三角形？（設(shè)計(jì)中各個(gè)基元的壓比和效率是給定的）進(jìn)口截面出口截面進(jìn)口速度三角形出口速度三角形依據(jù)上述思路，可以確定出各個(gè)基元的速度三角形。2006-3軸流壓氣機(jī)速度三角形的確定背景及意義各個(gè)基元進(jìn)口截面出口截面葉尖速度三角形葉中速度三角形葉根速度三角形原來壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)是件挺簡(jiǎn)潔的事！2006-3軸流壓氣機(jī)速度三角形的確定背景及意義在上述確定各個(gè)基元速度三角形的過程中，我們認(rèn)為各個(gè)基元的流淌相互間是沒有影響的。這種影響機(jī)制是什么？事實(shí)上葉片各個(gè)基元的流淌是否存在相互影響呢？如何分析葉片各個(gè)基元之間的影響機(jī)制？圓柱坐標(biāo)系中N.-S.基本方程組中的徑向動(dòng)量方程找到其控制方程！2006-3軸流壓氣機(jī)速度三角形的確定簡(jiǎn)潔徑向平衡方程假設(shè)：不考慮流體微團(tuán)的粘性設(shè)流淌是軸對(duì)稱的流淌是定常的氣體所受重力不計(jì)則圓柱坐標(biāo)系下徑向動(dòng)量方程退化為：2006-3軸流壓氣機(jī)速度三角形的確定簡(jiǎn)潔徑向平衡方程進(jìn)一步假設(shè)：簡(jiǎn)化徑向平衡方程只研究葉片排之間軸向間隙中的流動(dòng)：各個(gè)基元進(jìn)口截面出口截面流動(dòng)沿一系列同心圓柱面流動(dòng)：表明各個(gè)基元的流淌是相互制約的。這種機(jī)制被稱為徑向平衡2006-3軸流壓氣機(jī)速度三角形的確定簡(jiǎn)潔徑向平衡方程機(jī)械能形式的能量方程：等功、等熵增條件下的簡(jiǎn)化徑向平衡方程2006-34.1簡(jiǎn)潔徑向平衡方程及其應(yīng)用扭向規(guī)律1.等環(huán)量設(shè)計(jì)規(guī)律如果在葉片設(shè)計(jì)中選定：則有：等功、等熵增條件下的簡(jiǎn)化徑向平衡方程軸向速度沿葉高不變。等環(huán)量設(shè)計(jì)自然保證了輪緣功沿葉高不變。等環(huán)量設(shè)計(jì)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了等環(huán)量設(shè)計(jì)中氣流軸向分速沿葉高保持不變的規(guī)律，驗(yàn)證了計(jì)算的牢靠性，大大提高了設(shè)計(jì)分析的精確性。輪緣功：2006-3軸流壓氣機(jī)速度三角形的確定各個(gè)基元進(jìn)口截面出口截面葉尖速度三角形葉中速度三角形葉根速度三角形扭向規(guī)律1.等環(huán)量設(shè)計(jì)規(guī)律這個(gè)設(shè)計(jì)是不是等環(huán)量設(shè)計(jì)？動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)Mach數(shù)容易過高一個(gè)基元的加工糧食不是隨意的？加工量受限于根部還是尖部基元的速度三角形？怎么辦？2006-3軸流壓氣機(jī)速度三角形的確定各個(gè)基元葉尖速度三角形葉中速度三角形葉根速度三角形扭向規(guī)律1.等環(huán)量設(shè)計(jì)規(guī)律如何加預(yù)旋。靜葉進(jìn)口絕對(duì)Mach數(shù)容易過高2006-34.1簡(jiǎn)潔徑向平衡方程及其應(yīng)用扭向規(guī)律2.等反力度設(shè)計(jì)規(guī)律輪緣功：運(yùn)動(dòng)反力度：2006-34.1簡(jiǎn)潔徑向平衡方程及其應(yīng)用扭向規(guī)律2.等反力度設(shè)計(jì)規(guī)律環(huán)量隨半徑是增加的。簡(jiǎn)化徑向平衡方程：軸向速度隨半徑是減小的。進(jìn)口環(huán)量：出口環(huán)量：2006-34.1簡(jiǎn)潔徑向平衡方程及其應(yīng)用扭向規(guī)律2.等反力度設(shè)計(jì)規(guī)律特點(diǎn)：軸向速度沿葉高變更，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差較大。轉(zhuǎn)子氣流Mach數(shù)和氣流轉(zhuǎn)角沿葉高的變更較平緩軸向速度的計(jì)算須要閱歷公式的修正。2006-34.1簡(jiǎn)潔徑向平衡方程及其應(yīng)用扭向規(guī)律3.中間設(shè)計(jì)規(guī)律A＝C＝0：等環(huán)量規(guī)律A＝C≠0、B＝D、B&D>0：等反力度規(guī)律A≡C時(shí)可獲得等功設(shè)計(jì)。2006-3第三代、第四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的軸流壓氣機(jī)能否接著接受簡(jiǎn)潔徑向平衡方程進(jìn)行設(shè)計(jì)呢？4.2徑向平衡方程及其應(yīng)用背景和意義簡(jiǎn)潔徑向平衡方程的局限：怎么辦？2006-3m4.2徑向平衡方程及其應(yīng)用徑向平衡方程：流線彎曲會(huì)帶來什么影響？ABCABCrrθnx(a)Meridionalplane(b)Viewalongaxis2006-3m4.2徑向平衡方程及其應(yīng)用徑向平衡方程：彎曲流線的運(yùn)動(dòng)分析——子午面內(nèi)的加速度ABCrnx(a)Meridionalplane沿流向m的加速度：沿子午流線運(yùn)動(dòng)時(shí)的向心加速度：曲率半徑為離心加速度：這三項(xiàng)之和就是子午面內(nèi)總的加速度?2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用徑向平衡方程：ABCrθ(b)Viewalongaxis周向加速度

：彎曲流線的運(yùn)動(dòng)分析——r-θ平面內(nèi)的加速度2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用徑向平衡方程：加速度分解B(a)Meridionalplane子午面內(nèi)沿q方向的加速度重量為：rnq?γ2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用徑向平衡方程：Bθ(b)Viewalongaxis彎曲流線的運(yùn)動(dòng)分析依據(jù)動(dòng)量守恒原理，在S2流面內(nèi)有：eq由于：ε則有：2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用徑向平衡方程：(a)Meridionalplane子午面內(nèi)的徑向平衡方程為：Brnq?γ為了將實(shí)際流淌中的損失考慮進(jìn)來，最終可以得到準(zhǔn)正交方向的徑向平衡方程

2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法：簡(jiǎn)化為回轉(zhuǎn)面接受周向平均假設(shè)簡(jiǎn)化為子午平面流線曲率法再總結(jié)一下流線曲率法的總體思路準(zhǔn)正交方向的徑向平衡方程2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法：徑向平衡方程能干什么？Brnq?γ給定流道、葉片幾何形態(tài)，可以用于求解內(nèi)部流場(chǎng)，從而計(jì)算出壓氣機(jī)特性。分析問題當(dāng)前，S2正問題計(jì)算照舊是軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、部分轉(zhuǎn)速特性計(jì)算的核心手段。2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法：Brnq?γ給定流道，給定轉(zhuǎn)子葉片級(jí)壓比、級(jí)效率，靜子葉片損失系數(shù)沿葉高的分布，同樣可以計(jì)算出壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，從而可以確定出葉片各個(gè)基元的速度三角形，進(jìn)而可以設(shè)計(jì)出壓氣機(jī)葉片。

設(shè)計(jì)問題2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法：在設(shè)計(jì)中，并不須要計(jì)算到葉片內(nèi)部，即求出葉片部分的流場(chǎng)，只須要計(jì)算出進(jìn)出口的流淌參數(shù)。在多級(jí)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中，此時(shí)的S2計(jì)算就象求解管道中的流淌一樣。管流計(jì)算2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法應(yīng)用NASA雙級(jí)跨音風(fēng)扇流道

兩級(jí)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)：壓比2.4流量33.25效率0.849主要參數(shù)：葉尖切線速度第一級(jí)轉(zhuǎn)子428.9其次級(jí)轉(zhuǎn)子405.3為什么接受了很大的軸向間距展弦比第一級(jí)轉(zhuǎn)子1.56/2.94其次級(jí)轉(zhuǎn)子1.972006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法應(yīng)用總壓沿葉高的分布

兩級(jí)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)：以第一級(jí)轉(zhuǎn)子為例總壓損失沿葉高的分布

大展弦比設(shè)計(jì)小展弦比設(shè)計(jì)2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法應(yīng)用兩級(jí)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)：試驗(yàn)件及試驗(yàn)結(jié)果堵點(diǎn)喘點(diǎn)2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法應(yīng)用兩級(jí)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)：計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比第一級(jí)轉(zhuǎn)子的參數(shù)對(duì)比

2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法應(yīng)用兩級(jí)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)：計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比其次級(jí)轉(zhuǎn)子的參數(shù)對(duì)比2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法應(yīng)用兩級(jí)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)：調(diào)試試驗(yàn)設(shè)計(jì)沒有達(dá)標(biāo)！調(diào)試調(diào)試方案：第一級(jí)靜子打開10度，其次級(jí)靜子關(guān)小5度。2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法應(yīng)用某三級(jí)渦輪各級(jí)轉(zhuǎn)子出口的軸流速度展向分布

2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法應(yīng)用壓氣機(jī)主要參數(shù)：某四級(jí)軸流壓氣機(jī)第3級(jí)出口軸向速度沿葉片展向分布隨流量變更的狀況輪轂比為0.75流量系數(shù)加功量系數(shù)2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法應(yīng)用某低展弦比3級(jí)壓氣機(jī)出口總和順總壓展向分布的試驗(yàn)和通流計(jì)算結(jié)果對(duì)比2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法應(yīng)用某4級(jí)壓氣機(jī)中流淌摻混流淌顯示（乙烯氣體在第三級(jí)靜子入口注入，虛線表示注入的半徑位置）徑向摻混2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法應(yīng)用徑向摻混2006-34.2徑向平衡方程及其應(yīng)用流線曲率法應(yīng)用徑向摻混某8級(jí)高速壓氣機(jī)第8級(jí)靜子入口總和順總壓沿展向的分布2006-34.3葉片造型背景和意義葉型及其發(fā)展：葉型是限制葉片通道內(nèi)流淌，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖的基本手段！葉型的發(fā)展變更反映了人類對(duì)于壓氣機(jī)內(nèi)部困難流淌相識(shí)的深化！葉型的改進(jìn)照舊是將來軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)性能進(jìn)一步提高的基本途徑！葉型設(shè)計(jì)的基本參數(shù)：中弧線厚度分布2006-34.3葉片造型傳統(tǒng)葉型：中弧線：C4、NACA65、DCA等2006-34.3葉片造型傳統(tǒng)葉型厚度分布對(duì)比：2006-34.3葉片造型傳統(tǒng)葉型壓力分布對(duì)比：2006-34.3葉片造型傳統(tǒng)葉型攻角特性對(duì)比：2006-34.3葉片造型可控?cái)U(kuò)散葉型設(shè)計(jì)原則：可控?cái)U(kuò)散葉型（ControlledDiffusionAirfoilblade），簡(jiǎn)稱CDA葉型

定制速度葉型（Prescribedvelocitydistributionblade）簡(jiǎn)稱PVD葉型

轉(zhuǎn)捩點(diǎn)位置的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)峰值馬赫數(shù)的限制值

分離的可靠預(yù)測(cè)難點(diǎn)：2006-34.3葉片造型可控?cái)U(kuò)散葉型形態(tài)特點(diǎn)：2006-34.3葉片造型可控?cái)U(kuò)散葉型攻角特性：2006-34.3葉片造型超音葉型形態(tài)對(duì)比：CW-1葉型2006-34.3葉片造型超音葉型形態(tài)對(duì)比：多圓弧預(yù)壓縮葉型2006-34.3葉片造型超音葉型形態(tài)對(duì)比：預(yù)壓縮定制葉型2006-34.3葉片造型葉片積疊規(guī)律葉片積疊不僅僅是個(gè)氣動(dòng)問題良好的氣動(dòng)性能合理的強(qiáng)度振動(dòng)特性合理的結(jié)構(gòu)良好的工藝性2006-34.3葉片造型葉片積疊規(guī)律簡(jiǎn)潔徑向積疊2006-34.3葉片造型葉片積疊規(guī)律簡(jiǎn)潔徑向積疊2006-34.3葉片造型葉片積疊規(guī)律空間隨意積疊傾斜徑向積疊靜子葉片傾斜葉片積疊線徑向積疊線靜子積疊線所在截面2006-34.3葉片造型葉片積疊規(guī)律空間隨意積疊彎曲徑向積疊靜子葉片徑向積疊線葉片吸力面葉片壓力面正彎積疊線反彎積疊線靜子積疊線所在截面2006-34.3葉片造型葉片積疊規(guī)律空間隨意積疊掠徑向積疊的靜子葉片氣流后掠靜子造型前掠靜子造型前緣尾緣高負(fù)荷風(fēng)扇的靜子葉片2006-34.3葉片造型葉片積疊規(guī)律空間隨意積疊復(fù)合彎掠TRENT8104（左）和GE90-115B（右）風(fēng)扇葉片