葉片機原理課件C看

葉輪機原理與設(shè)計?

飛行器動力工程專業(yè)教研室?ZZIA?授課教師：馬震宇《航空葉片機原理》楚武利,劉前智,胡春波主編西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009年版。作者:楚武利，1987年西安交大碩士畢業(yè)后到西工大任教，教授，博導(dǎo)，獲部級科技進步獎兩項，獲國家發(fā)明專利多項。在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文50多篇，被SCI、EI收錄30多篇。所編本書為本科教材，詳細易于學(xué)習(xí)。教 材:?ZZIA參考書《航空葉片機原理》胡駿，吳鐵鷹，曹人靖主編國防工業(yè)出版社，2006年。作者:胡駿，1984年南航碩士畢業(yè)留校任教，教授，博導(dǎo)，主要從事葉輪機非定常流基礎(chǔ)理論和應(yīng)用基礎(chǔ)理論方面的研究，獲省部級科研二等獎二項，出版專著兩部?！皞€人實在是太渺小了，能做的事也極其有限。要想多取得一點成績，只有踏踏實實地干”?ZZIA第三章 軸流式壓氣機工作原理壓氣機是航空燃氣渦輪發(fā)動機的一個重要部件,其性能的優(yōu)劣對發(fā)動機的工作和性能具有至關(guān)重要的影響。本章為軸流壓氣機的基本工作原理,將著重講解壓氣機基元級及單級壓氣機的基本工作特性,介紹基元級、壓氣機級和多級壓?ZZIA一、軸流壓氣機組成與氣動熱力過程圖3-1為一發(fā)動機的軸流壓氣機段縱剖面簡圖。壓氣機:轉(zhuǎn)子（運動葉片/工作葉片/動葉，旋轉(zhuǎn)部件）+靜子（固定部件）（轉(zhuǎn)軸上8個輪盤）（8級）一個工作輪 = 1個輪盤 + 若干工作葉片 圖中壓氣機靜子由前、中、后機匣和9排靜子葉片構(gòu)成。最前面的一排葉片稱為進口導(dǎo)流環(huán)（這些葉片稱為進口導(dǎo)流葉片）,其作用是改變進入壓氣機第一個工作輪前氣流的方向。進口導(dǎo)流葉片不是壓氣機中不可缺少的部件,有的發(fā)動機上不裝進口導(dǎo)流環(huán),空氣沿發(fā)動機縱軸方向直接進入第一個工作輪。圖中導(dǎo)流環(huán)后共設(shè)置了8排不轉(zhuǎn)動的靜子葉片縱軸方向與動葉排相互間隔地排列布置。整流葉片固定在發(fā)動機機匣上,每一排整流葉片又稱為整流器（環(huán)）。當(dāng)發(fā)動機壓氣機工作時,氣流流過交替排列的工作輪和整流器,最后流出末排整流器,沿縱軸線方向流入發(fā)動機燃燒室。除最前面第一個工作輪前的進口導(dǎo)流葉片以外,每一排動葉片后都緊跟著一排靜葉片,重復(fù)多次。這樣,每一排動葉與緊挨其后的一排靜葉就構(gòu)成了壓氣機的一個“級”。 在研究航空渦輪發(fā)動機的總體工作特性時,通常規(guī)定壓氣機段的進口截面（上游截面）為“1截面”,該段的出口截面（下游截面）記為“2截面”。在具體研究壓氣機工作時,習(xí)慣上將壓氣機工作輪的進口截面定義為“1截面”,工作輪的出口截面定義為“2截面”（也視為整流器的進口■由于多級軸流壓氣機是由單級逐級軸向結(jié)合而成的,所以氣流在壓氣機中的增壓是逐級進行的。氣流經(jīng)過壓氣機的壓力（壓強）逐級提高,氣流密度也逐級加大。為了通過一定的空氣質(zhì)量流量,根據(jù)連續(xù)方程在逐級的氣流縱軸向速度基本不變或變化較小的情況下,在壓氣機子午面(半徑方向與縱軸向構(gòu)成的度相適應(yīng)?！觥觥鯄簹鈾C的作用在盡可能低的流阻損失條件下,對流過壓氣機的氣流施加功（加功,給氣體輸入功）,以提高壓氣機出口氣流的壓力。從發(fā)動機熱力循環(huán)角度說,在一定條件下,流過壓氣機的氣流壓強提高得越多,發(fā)動機的有效功和熱效率也就愈高。當(dāng)然,氣流流動能量損失越小,發(fā)動機的熱效率就越高。為了提高發(fā)動機的熱效率,近幾十年來,壓氣機的增壓比有了很大提高。20世紀(jì)40年代的早期渦輪噴氣發(fā)動機的增壓比不過在3左右,而目前民用高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機壓氣機的總增壓比已高達35-40,軍用發(fā)動機壓氣機的總增壓比也在20－30之間?！鯙槭裁磯簹鈾C上要有轉(zhuǎn)子和靜于?它們?yōu)槭裁匆惶媾帕?簡單地講，壓氣機中的動葉旋轉(zhuǎn)將機械功(能量)傳給了流過壓氣機的氣流，并將一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闅饬鞯膲毫ι?。而靜葉將動葉加給氣流的剩余能量繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫ι?，并將氣流?dǎo)引至下一級動葉要求的進口方向。所以，壓氣機的動葉的后面總要配置靜葉。□空氣流過這樣的壓氣機，壓力為什么會增高？（后面講此增壓原理） □當(dāng)氣流流過壓氣機時，其狀態(tài)參數(shù)和自身所具有的能量均發(fā)生了變化，應(yīng)該采用哪些參數(shù)來描述氣流所經(jīng)歷的這樣一種氣動熱力過程？如何評價該過程的完善程度? 圖3-2為一臺多級軸流壓氣機簡圖。為分析時方便，規(guī)定壓氣機進口處的截面為1-1截面，出口處為K-K截面，這兩個截面上的參數(shù)分別以下標(biāo)“l(fā)”和“k”來表示。壓氣機的氣動熱力過程可用圖3-3的焓熵圖表示。其中,*表示對應(yīng)于物理狀態(tài)的滯止?fàn)顟B(tài),下標(biāo)ad表示理想等熵過程對應(yīng)的狀態(tài),虛線表示等熵過氣體流過壓氣機后,壓力p1提高到pk,為此壓氣機消耗了機械功。如果壓縮過程是無損失的等熵過程,壓氣機消耗的機械功最少；反之,流動損失越大,熵增也越大,壓氣機消耗的機械功也就越多。因此,利用氣流壓力升高的幅度以及實際消耗的功與等熵功的差別,即可了解氣體流過壓氣機的氣動熱力過程及其完善程度。滯止壓強和滯止溫度在工程實際中易于測量,使用方便,故在氣動熱力計算和壓氣機實驗研究中,常采用氣流滯止參數(shù)定義和計算增壓比、*·由于流阻損失的存在,壓氣機加給氣體的機械功并沒有全部用于增加氣流的壓力。由圖示氣體流經(jīng)壓氣機的壓縮過程看,若氣流壓縮過程等熵,即流動損失為零,則氣流總壓由進口1截面總壓增大至出口k功和效率等參數(shù)。截面總壓所需的壓縮功為最小,稱之為等熵功。這時,壓氣機加于氣流的功全部用來增加氣流的總壓。對實際過程即有損失的熵增過程而言,實際過程加功量Lk線段要比 線段長。壓氣機的效率定義為:在進口滯止溫度及增壓比相同的條件下，壓氣機的等熵壓縮功與實際加功量的比，即類似地也可根據(jù)轉(zhuǎn)子的增壓比來定義壓氣機轉(zhuǎn)子(動葉)的效率:--注意:上面壓氣機效率的定義和計算公式既能用于總體上分析全臺壓氣機的效率，也能夠用于分析和計算壓氣機級與基元級的效率。二、軸流壓氣機的基元級為了得到較高的熱循環(huán)效率，發(fā)動機要求壓氣機要有足夠高的增壓比，但軸流壓氣機的每一級的增壓能力是有一定限度的。欲得到比較高的增壓比，軸流壓氣機就必須做成多級的。■多級軸流壓氣機—非常復(fù)雜的機械由很多排的葉片組成,既有靜止不動的葉片排,也有不斷轉(zhuǎn)動的葉片排,如果直接研究這樣一個壓氣機內(nèi)部氣體的流動,難度可想而知。但是,一個復(fù)雜的事物往往都是由許多簡單的事物所構(gòu)成的。一個多級軸流壓氣機是由很多單個的“級”沿壓氣機軸線方向疊加起來的,每級壓氣機的結(jié)構(gòu)是類似的,其工作的基本原理也是大致相同的。于是,為了研究多級軸流壓氣機對氣流的加功和增壓原理,可以先對一個“級”來進行分析。■如果掌握了單級壓氣機的增壓原理,那么整個多級壓氣機的增壓原理問題就解決了。圖3-4所示為一個“級”的示意圖。為了說明在級中氣流參數(shù)的變化,在動葉和靜葉的前后各取一個與回轉(zhuǎn)軸相垂直的截面。習(xí)慣規(guī)定動葉前的截面為1一1截面,動葉后、靜葉前的截面為2-2截面,靜葉后的截面為3-3截面。這些截面上的氣流參數(shù)分別用下標(biāo)“1”、“2”、“3”表示。假定:壓氣機級增壓比不高，或?qū)Χ嗉壿S流壓氣機的后面級而言，外徑和內(nèi)徑值沿縱軸向變化不大，因此每個級中流線基本都按不同的圓柱面分布。然而，即使這樣的一個單級，其中的氣體流動也比一般的機械復(fù)雜。從工作輪的根部到尖部，圓周速度各不相同，氣體在葉片所形成的槽道中流動，不同半徑上的流層情況有所不同。共性包含于一切個性之中！雖然沿葉高不同半徑處的流動情況不全相同,但工作原理是大體相仿的。只要研究了某一個半徑處的氣體增壓原理,即可以了解單級乃至整個多級壓氣機增壓原理的本質(zhì)了。輪轂比:徑向間隙:軸向間隙:用與壓氣機同軸的一個圓柱面對壓氣機的一個級進行剖切,就得到一個“基元級”（微元級）,如圖3-5。每個基元級沿葉高的厚度都是很薄的,故每一級均可看成是由很多基元級沿徑向疊加而成的,而每個基元級的工作原理大體相同。這樣,可以把基元級的流動過程看做是壓氣機工作的縮影,以其中的某一個基元級為代表,對壓氣機的基本工作原理進行分析。用一個與級同軸的圓柱面與軸流壓氣機級相截,得到圓柱面上的兩圈“環(huán)形葉柵”—若干個形狀相同的葉型彼此以一定距離沿周向均勻排列.基元級是一個圓柱面,為便于分析,把圓柱面展開成為一個平面圖3-6。 由圖可見,展開成為平面的基元級中包括兩一常排“平面葉柵”,上面的排是動葉柵,下面的一排是靜葉柵?！捌矫嫒~柵”被作為研究壓氣機工作的基本研究單元。圖3-6圓周切向型面多級軸流的簡化簡化過程第一步:由多級壓氣機到壓氣機的單（個）級簡化條件——忽略級與級之間的相互干擾第二步:由單級到基元級簡化條件——圓柱面流動假設(shè)三、基元級中氣體流動特性■1坐標(biāo)系:基元級包含兩排葉柵，動葉柵以圓周速度u旋轉(zhuǎn)工作,靜葉柵固接于機匣殼體上。分析靜葉柵中氣體流動用絕對坐標(biāo)系便利。研究動葉柵中穿行的氣流,必須相對于動葉來分析氣體微團的運動特性,這時選用隨動葉一起運動的相對坐標(biāo)系便利。如圖,c表示觀察者站在靜止坐標(biāo)系上看到的氣流絕對流速,w表示假如觀察者站在動葉上動葉的相對流速）,u表示度/切向速度/周向速度/理力上的剛體牽連運動速度)。所看到的氣流速度（氣體相對周向速度相對動葉柵轉(zhuǎn)動的圓周速度(線速流速絕對流速量）2 氣流與葉柵之間的關(guān)系□先分析氣體如何流入動葉和靜葉葉柵。以壓氣機放置在地面上為例,當(dāng)啟動工作動葉轉(zhuǎn)起來時,其前面氣流不斷被抽吸進來。地面上人看到流入動葉的氣流速度為c1（絕對）。動葉本身是以圓周速度u1旋轉(zhuǎn),若人站在動葉上隨葉片一同轉(zhuǎn)動(人處于相對坐標(biāo)系上）,所看到的氣流就不再（遵循矢量合成

或

分解的 或△規(guī)則）絕對運動

=相對運動

+

牽連運動

（向則是按相對速度w1的大小和方向流入動葉柵槽道的。因此,設(shè)計動葉柵的安裝方位應(yīng)是大致對準(zhǔn)相對流速w1的,而不能對準(zhǔn)絕對速度c1。在動葉出口處,氣流相對流速為w,它影響著2其后靜葉柵進口的氣流速度。但是，氣流并不是以W2.而是以c2流入靜葉柵的。因此，靜葉柵的設(shè)計安裝方位應(yīng)是大體對準(zhǔn)氣流絕對速度c2的.相對流速絕對流速C=W

+

U以絕對速度C1流向工作輪的氣體微團,對工作輪來說是以相對速度W1流入工作輪葉柵的；經(jīng)過葉柵通道后,再以相對速度W2流出。■分析動葉中的流動,必須使用相對速度W和相對加速度,對于靜葉中的流動分析則使用絕對速度C?！鹣鄬ψ鴺?biāo)系下與絕對坐標(biāo)系下物理參數(shù)的轉(zhuǎn)換是經(jīng)常遇到的問題?！鹣蛄康暮铣苫蚍纸庥萌切畏?聯(lián)系W和C的速度三角形為常用工具?！踉谘芯客ㄟ^動葉和靜葉葉柵的氣流時,要經(jīng)常變換坐標(biāo)系,按不同坐標(biāo)系來分析問題。因此,必須清楚哪些物理量隨坐標(biāo)系而變,哪些物理量又是與坐標(biāo)系的變換無關(guān)。○（熱力）狀態(tài)參數(shù)或稱靜參數(shù)(p,ρ,T)表示的是微觀分子熱運動的結(jié)果,與涉及宏觀運動的絕對坐標(biāo)系和相對坐標(biāo)系變換無關(guān)。即,不管采用何種坐標(biāo)系,任一點處的氣體靜參數(shù)不受影響?！饻箙?shù)或總參數(shù)(p*,ρ*,T*,h*)與它們與所選用的坐標(biāo)系有關(guān)。比如以滯止焓為例,其物理意義是代表氣流所具有的總能量—靜焓和動能之和。而宏觀動能是與微團運動速度直接關(guān)聯(lián)的,對不同坐標(biāo)系其動能值大小不同,從而滯止焓也不同。絕對總焓表達式:而相對總焓則為:■（c≠w )所以對控制體內(nèi)流場中的某一點來講,相對不同坐標(biāo)系就會有不同的氣流總參數(shù)。對于絕對坐標(biāo)系為 ,對于相對坐標(biāo)系□為便于分析計算基元級速度三角形中各參數(shù),有必要以標(biāo)量和分量形式來表達速度三角形諸參數(shù)之間的關(guān)系。將基元級中的氣流速度向量w和c分解成縱軸向和圓周向兩個方向的分速度,分別用腳注a（縱軸向,簡稱軸向）和u（周向,或切向）表示。一般用α表示c與u之間的夾角（絕對速度進氣角）,β表示w與u之間的夾角（相對速度進氣角）。通常把進口和出口速度三角形畫于一起,稱為基元級的速度三角形,如圖3-7。圖3-7■一般對軸流式來說,氣流流過一個基元級時這時速度三角形如圖3-8,稱為簡化（化簡,近似）的基元級速度三角形。,w和c的周向分量變化很大，軸向分速值變化較小，尤其那些級增壓比不高的亞聲速級。因此，在進口和出口軸向分速差別不大條件下，可近似地認=c為:a圖3-8

基元級速度三角形的簡化圖對于簡化速度三角形,只要確定了其上4個參數(shù),則基元級速度三角形即完全確定。一般基元級葉柵葉片設(shè)計成進口大致對準(zhǔn)來流方向,設(shè)計基元級葉柵的葉片首先要知道基元級速度三角形。因此,通常選取這樣4個與壓氣機設(shè)計