軸流壓氣機(jī)工作原理

1、AVV*第二早軸流壓氣機(jī)的工作原理壓氣機(jī)是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，它的作用是給燃燒室提供經(jīng)過壓縮的高壓、 高溫氣體。根據(jù)壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)和氣流流動(dòng)特點(diǎn)，可以把它分為兩種主要型式：軸流式壓氣機(jī)和離心式壓氣機(jī)。本章論述軸流式壓氣機(jī)的基本工作原理，重點(diǎn)介紹壓氣機(jī)基元級(jí)和壓氣機(jī)一級(jí)的流動(dòng)特性及工作原理。第一節(jié) 軸流壓氣機(jī)的增壓比和效率軸流式壓氣機(jī)由兩大部分組成，與壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接的輪盤和葉片構(gòu)成壓氣機(jī)的轉(zhuǎn) 子，外部不轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)匣和與機(jī)匣相聯(lián)接的葉片構(gòu)成壓氣機(jī)的靜子。轉(zhuǎn)子上的葉片稱為動(dòng)葉， 靜子上的葉片稱為靜葉。每一排動(dòng)葉（包括動(dòng)葉安裝盤）和緊隨其后的一排靜葉（包括機(jī)匣） 構(gòu)成軸流式壓氣機(jī)的一級(jí)。 圖

2、3 1為一臺(tái)10級(jí)軸流壓氣機(jī)，在第一級(jí)動(dòng)葉前設(shè)有進(jìn)口導(dǎo)流 葉片（靜葉）。圖3 1壓氣機(jī)的增壓比定義為多級(jí)軸流壓氣機(jī)兀Pl(3 1)Pk :壓氣機(jī)出口截面的總壓；P；:壓氣機(jī)進(jìn)口截面的總壓；*號(hào)表示用滯止參數(shù)（總參數(shù)）來定義。依據(jù)工程熱力學(xué)有關(guān)熱機(jī)熱力循環(huán)的理論，對(duì)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)來講，在一定范圍內(nèi)，壓氣機(jī)出口的壓力愈高，則燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)熱效率也就愈高。近六十年來，壓氣機(jī)的總增壓比有了很大的提高，從早期的總增壓比3.5左右，提高到目前的總增壓比40以上。SubsonicTrang miicTransonic(wndw chord)u m m n m tnYearo總 AJHAAaid 一P

3、MQ圖3 2壓氣機(jī)的總增壓比發(fā)展歷程壓氣機(jī)的絕熱效率定義為效率公式定義的物理意義是將氣體從口“壓縮到p2，理想的、無摩擦的絕熱等熵過程所需要的機(jī)械功Ladk與實(shí)際的、有摩擦的、絕熱熵增過程所需要的機(jī)械功L k之比。圖3 3壓氣機(jī)熱力過程焓熵圖由熱焓形式能量方程 （2 - 5）式、絕熱條件、等熵過程的氣動(dòng)關(guān)系式Tipik和Cp.R可以得到k仝Ladk =Cp（Tadk -T）RT（二 kk -1）k 一1Lk 二 Cp（Tk -Ti ）=上k 一1將（3 3）和（3 4）式代入到（3 2）式，則得到k .1k = sk -1討1效率公式（3-5 ）式可以用來計(jì)算多級(jí)或單級(jí)壓氣機(jī)的絕熱效率，也可以

4、用來計(jì)算單排轉(zhuǎn)子的絕熱效率，只要pk和T取相應(yīng)出口截面處值即可。壓氣機(jī)靜子不對(duì)氣體作功，靜子adk(3 3)RT (士-1)(3 4)(3 5)的性能不能用效率公式（3-5 ）式衡量，靜子的氣動(dòng)品質(zhì)用總壓恢復(fù)系數(shù)匚23反映，匚23 =* *p靜子出口 / p 靜子進(jìn)口 。壓氣機(jī)的效率高，說明壓縮過程中的流阻損失小，實(shí)際過程接近理想過程?；蛘哒f，壓氣機(jī)效率愈高，達(dá)到相同增壓比時(shí)，所需要外界輸入的機(jī)械功愈少。目前，單級(jí)軸流壓氣機(jī)的絕熱效率可以達(dá)到90%以上，高增壓比的多級(jí)軸流壓氣機(jī)的絕熱效率也可以達(dá)到85 %以上。第二節(jié)軸流壓氣機(jī)的基元級(jí)和基元級(jí)的速度三角形高增壓比的軸流壓氣機(jī)通常由多級(jí)組成，其中

5、每一級(jí)在一般情況下都是由一排動(dòng)葉和一排靜葉構(gòu)成，并且每級(jí)的工作原理大致相同，可以通過研究壓氣機(jī)的一級(jí)來了解其工作原理。為更加清楚地認(rèn)識(shí)軸流壓氣機(jī)如何對(duì)氣體進(jìn)行加功和增壓的工作過程和原理，還可以將軸流壓氣機(jī)的一級(jí)作進(jìn)一步的分解和化簡。化簡的方法：用兩個(gè)與壓氣機(jī)同軸并且半徑相差很小的圓柱面，將壓氣機(jī)的一級(jí)在沿葉高方向截出訂很小的一段，如圖 3-4和圖3- 5所示。這樣就得到了構(gòu)成壓氣機(jī)一級(jí)的微元單位一一基元級(jí)，壓氣機(jī)的一級(jí)可以看成是由很多圖3-5圓柱面上的基元級(jí)基元級(jí)由一排轉(zhuǎn)子葉片和一排靜子葉片組成，它保留了軸流壓氣機(jī)的基本特征。因.汀非常小，氣體在基元級(jí)中流動(dòng)其參數(shù)可以認(rèn)為只在沿壓氣機(jī)軸向和圓周

6、方向發(fā)生變化，在圓柱坐標(biāo)系下，這樣的流動(dòng)是二維流動(dòng)。為研究方便，可將圓柱面上的環(huán)形基元級(jí)展開成為平面 上的基元級(jí)（如圖 3- 6）,在二維平面上研究壓氣機(jī)基元級(jí)的工作原理。圖3-6展開成平面的基元級(jí)在平面基元級(jí)中，動(dòng)葉以速度 u平移，u相等于圓柱面上半徑為 r處基元級(jí)動(dòng)葉的圓周運(yùn)動(dòng)速度，U 汀。要想了解氣體經(jīng)過基元級(jí)動(dòng)葉時(shí)的流動(dòng)情況，可以將坐標(biāo)系建立在 動(dòng)葉上，在隨動(dòng)葉一起運(yùn)動(dòng)的相對(duì)坐標(biāo)系下，研究氣體相對(duì)動(dòng)葉的流動(dòng)過程。靜葉靜止不動(dòng)，可在絕對(duì)坐標(biāo)系下研究氣體相對(duì)靜葉的流動(dòng)。理論力學(xué)中介紹過，物體絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等于相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和牽連運(yùn)動(dòng)速度的矢量和。根據(jù)這一原理，可以得到動(dòng)葉進(jìn)口和動(dòng)葉出口的氣流速

7、度三角形，如圖3-6所示。圖中c為氣流的絕對(duì)速度，w為氣流相對(duì)動(dòng)葉的速度，u為牽連速度(動(dòng)葉或坐標(biāo)系移動(dòng)速度)，c、w 和u都是矢量。Ci是動(dòng)葉進(jìn)口氣流的絕對(duì)速度，C2是動(dòng)葉出口氣流的絕對(duì)速度，也是靜葉進(jìn)口的氣流速度。C3是靜葉出口的氣流速度。將動(dòng)葉進(jìn)口和動(dòng)葉出口的速度三角形疊加畫到一起，就可以得到基元級(jí)的速度三角形， 如圖3- 7 (a)所示。在一般亞聲速流動(dòng)的情況下，氣流經(jīng)過基元級(jí)的動(dòng)葉和靜葉后，絕對(duì) 速度的周向分量Cu和相對(duì)速度的周向分量 Wu變化比較大，而絕對(duì)速度的軸向分量 Ca和相對(duì) 速度的軸向分量 Wa變化不大，可盡似地認(rèn)為Ga C2a :- C3a。這樣，基元級(jí)的速度三角形可 進(jìn)

8、一步化簡為圖3-7(b)所示形式。U1(a)圖37基元級(jí)速度三角形圖3 7(b)中的Ga為動(dòng)葉進(jìn)口絕對(duì)速度的軸向分量。C1u為動(dòng)葉進(jìn)口絕對(duì)速度的周向分量，C|U也被稱為預(yù)旋速度，C1u工0表示氣流在進(jìn)入轉(zhuǎn)子之前就有了在圓周方向的預(yù)先旋轉(zhuǎn)， 如果CU與圓周速度U的方向相同，則為正預(yù)旋，如果C|U與圓周速度U的方向相反，則為反 預(yù)旋。Wu稱為扭速，：wu =W|u -W2u，在氣流沿圓柱面流動(dòng)的情況下，=u2，可得到"：W "=Cu 二 C2u -Ciu。只需要確定C|a、Gu、u和 Wu四個(gè)參數(shù)，則簡化形式的基元級(jí)速度三角形(圖3 7(b)就完全確定了。由 Ga和Gu可決定C

9、 1,由C i和u可決定 W,由W和AWu可決定由W和U可決定C 2。第三節(jié)基元級(jí)中動(dòng)葉和靜葉的作用及基元級(jí)的反力度一、基元級(jí)中動(dòng)葉的作用壓氣機(jī)通過動(dòng)葉驅(qū)動(dòng)氣體流動(dòng)完成對(duì)氣體作功， 作功的結(jié)果是將外界輸入的機(jī)械功轉(zhuǎn)變 成氣體的熱能和機(jī)械能，根據(jù)能量方程（ 2-5 ）式和（2-12 ）式，氣流流過動(dòng)葉后，滯止溫 度（總溫）升高，靜壓和滯止壓力（總壓）增大。在基元級(jí)中，ri=a，應(yīng)用方程（2 21）,可得到動(dòng)葉對(duì)氣體的作功量為Lu =uGu -CiuU Cu（ 3- 6）（3 6）式表明，只要?jiǎng)尤~對(duì)氣體作了功，則一定有. ：cu 0，即經(jīng)過動(dòng)葉后氣體絕對(duì)速度的周向分量c2u增大，在C2a二Ga的條

10、件下，氣體的絕對(duì)速度 C2也增大。圖3 8為一亞聲速基元級(jí)，動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)速度w1和靜葉進(jìn)口絕對(duì)速度 C2分別低于當(dāng)?shù)芈曀佟喡曀倩?jí)中，動(dòng)葉構(gòu)成的氣流通道從進(jìn)口到出口偏轉(zhuǎn)了一定的角度，進(jìn)口通道與壓氣機(jī)軸線的夾角大，出口通道與軸線的夾角小。在通道的偏轉(zhuǎn)過程中形成沿流向流動(dòng)面積擴(kuò)張，出口面積 a2R （垂直于出口流線的面積）大于進(jìn)口面積Ac （垂直于進(jìn)口流線的面積）。根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)知識(shí)，亞聲速氣流流過擴(kuò)張通道時(shí)，速度下降，靜壓升高。因此， 亞聲速氣流流過如圖 3 9所示的動(dòng)葉后，氣體的相對(duì)速度W減小，靜壓升高，同時(shí)，相對(duì)速度的方向發(fā)生變化，'-2：1，由基元級(jí)速度三角形可得到絕對(duì)速度的方

11、向也發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且."：Cu 0。圖3 8亞聲速基元級(jí)工作原理圖39超聲速基元級(jí)工作原理圖3 9為一超聲速基元級(jí)，動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)速度w1大于當(dāng)?shù)芈曀?。?dāng)來流相對(duì)馬赫數(shù)Mw1比較高時(shí)，超聲速基元級(jí)的動(dòng)葉氣流通道可接近于等直通道，流道的偏轉(zhuǎn)角度和流通 面積的擴(kuò)張都不明顯。氣流流過這樣的動(dòng)葉通道后，相對(duì)速度的方向變化不大，J ：-但是相對(duì)速度的大小可以變化很大，如圖3 9, w2可以減小很多。原因是在超聲速來流下的動(dòng)葉通道（槽道）中會(huì)出現(xiàn)激波，氣流通過接近于正激波形狀的槽道激波后相對(duì)速度的方 向變化不大，但相對(duì)速度減小，靜壓升高。由基元級(jí)速度三角形可得到氣流絕對(duì)速度的方向 發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且 u

12、 0。根據(jù)（3 6）式，在相同的圓周速度 u下，厶Cu愈大，動(dòng)葉對(duì)氣體的加工量愈大。根據(jù) （2-13 ）式，氣體流過動(dòng)葉時(shí)相對(duì)速度下降愈多，氣體的靜壓升高愈多。因此，無論是超聲速基元級(jí)還是亞聲速基元級(jí)，動(dòng)葉對(duì)氣體的加工都是通過改變氣流絕對(duì)速度的周向分量并使 ：cu 0實(shí)現(xiàn)的，而氣流流過動(dòng)葉后靜壓升高則都是通過減小氣流的相對(duì)速度實(shí)現(xiàn)的，只是超聲速基元級(jí)和亞聲速基元級(jí)在加功和增壓的方式上有一些差別。相對(duì)座標(biāo)系下基元級(jí)動(dòng)葉的機(jī)械能形式的能量方程為2 dp w；1 下2 _或者2 dpV Lf(3 7)2 2 w* _w2LfR為動(dòng)葉流阻功?？梢妱?dòng)葉中氣體相對(duì)動(dòng)能減少，靜壓升高 基元級(jí)中動(dòng)葉的作用：1

13、.加功，2.增壓。二、基元級(jí)中靜葉的作用氣流經(jīng)過壓氣機(jī)基元級(jí)的動(dòng)葉后，只要?jiǎng)尤~對(duì)氣流作了功，則一定有氣流的 ."：Cu =C2Ciu 0，即動(dòng)葉出口處的絕對(duì)氣流方向(比進(jìn)口)更加偏離壓氣機(jī)的軸向。這 樣，在動(dòng)葉的后面就需要有一排葉片，將氣流的方向重新偏轉(zhuǎn)到接近軸向方向，為下一級(jí)的動(dòng)葉提供合適的進(jìn)氣方向。從圖39中可以看出，靜葉的氣流通道也是進(jìn)口處與壓氣機(jī)軸線的夾角大，出口處與 軸線的夾角小，沿流向流通面積是擴(kuò)張的。亞聲速氣流流過擴(kuò)張的靜葉通道后，氣流速度下降，靜壓升高，同時(shí)氣流方向偏轉(zhuǎn)到接近軸向。如果靜葉進(jìn)口氣流的速度比較高 (Mc2 >0.85 ),那么，在靜葉通道的進(jìn)口區(qū)域

14、也可能出現(xiàn)局部超聲速流動(dòng)和激波，激波后的氣流以亞聲速流動(dòng)，在擴(kuò)張的流道中進(jìn)一步減速和增壓。靜葉不對(duì)氣體加功，Lu =0，其機(jī)械能形式的能量方程為或者23dp2 Lfs(3 8)Lfs為靜葉流阻功?？梢?，靜葉是將氣體的動(dòng)能繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫ι?基元級(jí)中靜葉的作用：1.導(dǎo)向，2.增壓。氣流流過壓氣機(jī)基元級(jí)時(shí)各參數(shù)的變化趨勢(shì)見圖3 10。2口圖3 10氣體流經(jīng)壓氣機(jī)級(jí)的參數(shù)變化三、基元級(jí)的反力度（一）反力度的物理意義 前述氣流流過壓氣機(jī)基元級(jí)時(shí)，動(dòng)葉和靜葉都對(duì)氣流有增壓作用， 定后，就存在一個(gè)基元級(jí)總的靜壓升高在動(dòng)葉和靜葉之間的分配比例問題。 靜壓升高所占比重大，那么在靜葉中的靜壓升高所占比重則小，反

15、之亦然。當(dāng)基元級(jí)的增壓比確 如果在動(dòng)葉中的 實(shí)踐表明，基元級(jí)的靜壓升高在動(dòng)葉和靜葉之間的分配情況，對(duì)于基元級(jí)對(duì)氣體的加功量和基元級(jí)的效率有較大的影響。因?yàn)?，無論動(dòng)葉或靜葉，靜壓升高意味著葉片通道中的逆壓梯度增大，而過大 的逆壓梯度將引起該葉片排中的流動(dòng)產(chǎn)生分離，嚴(yán)重的分離會(huì)導(dǎo)致該葉片排失效，將使得動(dòng)葉的加功和增壓能力下降，靜葉失效將使得靜葉的導(dǎo)向和增壓能力下降，葉中的流動(dòng)分離都會(huì)引起流阻功增加、氣體的機(jī)械能減少和基元級(jí)的效率下降。為了說明基元級(jí)中的靜壓升高在動(dòng)葉和靜葉之間的分配情況而引入了反力度的概念， 力度以門表示，定義如下：迤+ L1 p Lf 屈動(dòng)葉失效 動(dòng)葉或靜Lu（3 9）式中分母L

16、u為基元級(jí)對(duì)氣體加入的機(jī)械功，即輪緣功。在一般情況下，可以認(rèn)為基元級(jí)出口（即靜葉出口）絕對(duì)速度c3的大小和方向都十分接近于基元級(jí)進(jìn)口（即動(dòng)的絕對(duì)速度 C,，即c3 ：-C,。對(duì)整個(gè)基元級(jí)應(yīng)用能量方程（2 12 ）式，就有3 dp |i rLfRS -葉進(jìn)口）Lu2 2二C3 -G23dP L2 p(3 9)(3 10)（3 10）式表明基元級(jí)的輪緣功全部消耗于動(dòng)葉和靜葉中的增壓過程及克服流阻。因 此，反力度的定義（3 9）式反映了動(dòng)葉中的靜壓升高占整個(gè)基元級(jí)靜壓升高的百分比的大 小，即反映了基元級(jí)中的靜壓升高在動(dòng)葉和靜葉之間的分配情況。如3 -0.6，則大致表明動(dòng)葉的中靜壓升高占基元級(jí)總的靜壓

17、升高的百分之六十，靜葉中的靜壓升高占基元級(jí)總的靜壓升高的百分之四十?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)基元級(jí)的反力度范圍一般在0.550.70之間。在動(dòng)葉加功量較大（也Cu較大）的情況下，如果反力度過低（<0.3）,則氣體通過動(dòng)葉后靜壓升高不多，表明動(dòng)葉加給氣體的機(jī)械能主要是動(dòng)能，這樣動(dòng)葉出口的速度c2就會(huì)很大，而且方向也偏離軸向很大，如圖3 11所示。這樣會(huì)加大靜葉的設(shè)計(jì)難度，在進(jìn)口速度很高的情況下靜葉中的流動(dòng)損失也將增加（后面會(huì)詳細(xì)介紹），因此，需要盡量避免反力度過低的現(xiàn)象發(fā)生。圖3 11過低反力度的速度三角形（二）反力度的計(jì)算公式對(duì)基元級(jí)的動(dòng)葉應(yīng)用絕對(duì)坐標(biāo)系和相對(duì)坐標(biāo)系下的機(jī)械能形式的能量方程，

18、可得2 2 Q G22 _ w2Lu 二（絕對(duì)坐標(biāo)系下）2fdp+盹I p LfR上述兩式相減，可得2 2 2W -w2 C2（相對(duì)坐標(biāo)系下）Lu 二2.所以2 w； -wf2Lu將一般情況下，Qa :“Cla條件和輪緣功-十C2u 心十 C1uC1u2u2u由（3 11）式可見，在加功量確定，即 口的預(yù)旋速度Gu來改變基元級(jí)的反力度，： 可降低反力度，減小正預(yù)旋，則反力度增大。（3 11）式表示的反力度可由基元級(jí)速度三角形中的速度參數(shù)計(jì)算出，這種反力度又稱為運(yùn)動(dòng)反力度?；?jí)的速度三角形確定后，可以用（3 11）式估算該基元級(jí)反力度的大小。22 dp| PLf第四節(jié)基元級(jí)的速度三角形分析2

19、2 2 2C2u Qa - Gu - Ga2LuLu'Lu二u Cu代入上式，得.C1u 也 cu=1 - -u 2uu和Cu確定的情況下，可通過調(diào)整基元級(jí)進(jìn)避免出現(xiàn)反力度過大或過小的情況，增加正預(yù)旋,(3 11)一臺(tái)復(fù)雜的多級(jí)軸流壓氣機(jī)是由多個(gè)單級(jí)壓氣機(jī)串聯(lián)組成， 又是由很多個(gè)基兀級(jí)沿葉咼疊加而成。 壓，基元級(jí)構(gòu)成了軸流壓氣機(jī)的基礎(chǔ)。 級(jí)又是從確定基元級(jí)的氣動(dòng)參數(shù)開始， 壓比、效率和壓氣機(jī)幾何尺寸等要求，動(dòng)參數(shù)和動(dòng)葉的圓周速度（這一部分內(nèi)容在有關(guān)專業(yè)書籍中有介紹） 速度（絕對(duì)和相對(duì)）、靜溫、總溫（絕對(duì)和相對(duì)） 等等，有了基元級(jí)的氣體速度和圓周速度參數(shù)后， 幾十年的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，而其

20、中的每一個(gè)單級(jí)壓氣機(jī) 壓氣機(jī)是通過無數(shù)個(gè)基元級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的加功和增 設(shè)計(jì)壓氣機(jī)從設(shè)計(jì)壓氣機(jī)的基元級(jí)開始，而設(shè)計(jì)基元可根據(jù)壓氣機(jī)的總體性能要求，如壓氣機(jī)的流量、 增計(jì)算并確定出多級(jí)壓氣機(jī)中每一個(gè)基元級(jí)處的氣體流，氣動(dòng)參數(shù)包括氣體的、靜壓、總壓（絕對(duì)和相對(duì)）和氣體的密度 就得到了基元級(jí)的速度三角形。人類經(jīng)過已認(rèn)識(shí)到速度三角形中的主要參數(shù)對(duì)壓氣機(jī)基元級(jí)的加功、增壓和低流阻損失等性能有著重要的影響。以下分別介紹決定基元級(jí)速度三角形的四個(gè)參數(shù)Ga、Ciu、U和 w 的選取規(guī)律以及它們對(duì)基元級(jí)性能影響的作用。（一）扭速 ：Wu的選取為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比， 希望壓氣機(jī)的尺寸盡量小、 級(jí)數(shù)盡量少，落實(shí)到基元級(jí)

21、設(shè)計(jì)上， 就要求基元級(jí)的加功量要盡可能的大。從加工量公式Lu = u cu = u wu看，增大扭速.：wu可以增大基元級(jí)的加功量。但是，扭速.wu提得過高也會(huì)帶來一些不利的后果，以亞聲速基元級(jí)為例（圖 3 - 8）,在wi不變得情況下，要想增大 iWu，就必須加大氣流在動(dòng)葉通道 中的偏轉(zhuǎn)角度也P （ AP = PPi ）。但是，要使高速氣流在擴(kuò)張形通道中實(shí)現(xiàn)大的偏轉(zhuǎn)是 很不容易的，偏轉(zhuǎn)角度越大，氣流相對(duì)速度下降越多， 動(dòng)葉通道中的逆壓梯度也就越大， 并且葉片表面附面層的發(fā)展也非?？?。這樣，當(dāng)氣流偏轉(zhuǎn)角大到一定地步時(shí)，葉背表面的氣流就有可能不再貼附壁面流動(dòng)，即發(fā)生如圖3- 12所示的分離流動(dòng)。

22、 一旦發(fā)生流動(dòng)分離， 則動(dòng)葉的加功和增壓能力就會(huì)下降，動(dòng)葉的效率也會(huì)下降， 壓氣機(jī)的流量也會(huì)因此而減小，這些都是不希望發(fā)生的。對(duì)超、跨聲速基元級(jí)而言，扭速, ；wu是靠強(qiáng)烈的激波系獲得的（如圖3-9所示），雖然超、跨聲速基元級(jí)的扭速.：wu可以比亞聲速基元級(jí)的扭速 .：Wu大很多， 但是，如果激波強(qiáng)度過大，激波本身就會(huì)帶來一定的總壓損失，而且更為重要的是激波與葉背表面的附面層相遇還會(huì)產(chǎn)生激波一一附面層干涉現(xiàn)象，使得葉背表面附面層更加容易分離或分離現(xiàn)象更嚴(yán)重， 使得動(dòng)葉的效率急劇下降。因此，為了保證動(dòng)葉的效率，無論亞聲速基 元級(jí)還是超、跨聲速基元級(jí)，都不能任意增加扭速：wu。圖3 - 12葉背流

23、動(dòng)分離從基元級(jí)速度三角形中還可以看到，在w-i和u不變得情況下，扭速 =wu增大還會(huì)使動(dòng)葉出口速度C2增大，并且C2偏離軸向的角度增大。C2是靜葉進(jìn)口速度，在本章第三節(jié)中已介紹過靜葉除了增壓作用外，還有一個(gè)重要作用是導(dǎo)向作用，轉(zhuǎn)子出口偏離軸向很大角度的氣流要通過靜葉重新回到接近于軸向，在高速來流的條件下， 氣流在擴(kuò)張的靜葉通道中， 偏轉(zhuǎn)角度過大也會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn)象。通常對(duì)基元級(jí)靜葉的進(jìn)口速度是有限制的，要求MC2 E0.85 , ： 225。如果靜葉進(jìn)口氣流的 MC2較大（即使MC2<1.0 ）,在靜葉通道進(jìn)口區(qū)域，由于葉片厚度 的出現(xiàn)，流道面積是收縮的， 氣流流動(dòng)是加速的， 有可能在靜

24、葉通道中出現(xiàn)局部的超聲速流 動(dòng)和激波（如圖3- 13 （a）所示）。通常在設(shè)計(jì)基元級(jí)靜葉時(shí)，要避免靜葉通道中出現(xiàn)激波， 尤其是要避免激波貫穿整個(gè)靜葉通道的現(xiàn)象出現(xiàn)。一般認(rèn)為，在靜葉通道中出現(xiàn)激波沒有太多的好處，雖然氣流經(jīng)過激波后靜壓會(huì)升高，但是激波本身也會(huì)帶來總壓損失和激波一一附面層干涉造成的分離流動(dòng)損失。靜葉與動(dòng)葉不一樣，動(dòng)葉中激波造成的總壓損失可以通過動(dòng)葉繼續(xù)對(duì)氣體加功使總壓得到恢復(fù)和升高，而靜葉不對(duì)氣體加功， 激波造成的總壓損失得不到恢復(fù)，在激波后的流動(dòng)過程中由于摩擦等因素的存在，總壓還會(huì)繼續(xù)下降。此外，一旦出現(xiàn)了貫穿整個(gè)靜葉通道激波，還會(huì)對(duì)整個(gè)基元級(jí)的流量起到堵塞作用，因?yàn)樵谶@種情況下

25、， 即使該基元級(jí)靜葉的后面還有其它級(jí)的壓氣機(jī)在工作，向后抽氣并降低了靜葉出口處的靜 壓，但這時(shí)的反壓變化已傳遞不到靜葉通道中的激波截面以前，整個(gè)基元級(jí)處在了流量不隨反壓變化的堵塞狀態(tài)。大加功量的壓氣機(jī)難設(shè)計(jì)， 有時(shí)是難在靜葉不容易設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)得不好的話，Mc在0.80以下，靜葉通道中就會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的激波，造成靜葉總壓恢復(fù)系數(shù)低和流量變化范圍窄的后果。高負(fù)荷的壓氣機(jī)基元級(jí)設(shè)計(jì)，一定不要輕視靜葉的設(shè)計(jì)，即在選取扭速UWu時(shí)還要考慮到靜葉的設(shè)計(jì)困難。圖3 -13局部超聲速流動(dòng)和激波(二) 動(dòng)葉圓周速度 U的選取從基元級(jí)的輪緣功公式 Lu = ulcu = u=wU可以看出，提高動(dòng)葉的圓周速度u，可以增大

26、動(dòng)葉對(duì)氣體的加功量，從而可以增加壓氣機(jī)的級(jí)增壓比或減少壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)。從基元級(jí)的速度三角形中可以看到，在相同的g條件下，提高圓周速度u ,會(huì)使動(dòng)葉進(jìn)口氣流的相對(duì)速度w增大，即動(dòng)葉進(jìn)口氣流的 M W1增大。早期的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)為了使 Mw <1.0 ,對(duì)圓周速度u 的選取有一定的限制。隨著對(duì)適用于超、跨聲速來流的高速葉型的研究和應(yīng)用，現(xiàn)在動(dòng)葉進(jìn)口的M幽已可以達(dá)到1.61.8，葉尖的圓周速度u也從早期300米/秒，上升到現(xiàn)今500米 /秒左右。選擇較高的圓周速度，一定要解決好超、跨聲速流動(dòng)的激波損失問題，要精心設(shè) 計(jì)適用于高來流 皿叫的超、跨聲速葉型，將激波和激波一一附面層干涉造成的損失限制在 一

27、個(gè)較低的水平。此外，在目前的壓氣機(jī)葉片材料條件下，葉片的強(qiáng)度問題也是限制進(jìn)一步提高圓周速度的因素之一。(三) 動(dòng)葉進(jìn)口軸向速度 c1a的選取動(dòng)葉進(jìn)口軸向速度 Ca的選取與發(fā)動(dòng)機(jī)的流量有關(guān)，當(dāng)壓氣機(jī)的進(jìn)口面積一定時(shí)，若動(dòng) 葉進(jìn)口軸向速度 Ga大，則進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量就大，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力或輸出功率也就大。 若發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量一定，壓氣機(jī)動(dòng)葉進(jìn)口軸向速度Ga大，壓氣機(jī)的迎風(fēng)面積就可以小。但是，Ga的選取也不能隨意增大， 過大的Ga將會(huì)導(dǎo)致很大的流動(dòng)損失，尤其是在動(dòng)葉的根部區(qū)域。壓氣機(jī)動(dòng)葉的稠密程度如果在半徑較大的葉尖處是合適的話，那么隨著半徑的減小，在葉根處葉片的稠密程度就會(huì)過大，并且由于強(qiáng)度的需要

28、，動(dòng)葉的根部葉型通常厚度也比較大，氣流流動(dòng)的通道窄，氣流流速大，容易發(fā)生流動(dòng)堵塞和流動(dòng)損失劇增等問題。此外，由 氣動(dòng)函數(shù)無量綱密流 q(Ma)隨Ma的變化關(guān)系可知，當(dāng) Ma增大到一定地步后，q(Ma)的P q(M )sin： A增大減緩，由流量公式m = Ka可知，壓氣機(jī)流量的增大也就不顯著了。因 此，也沒有必要將 qa增大到接近聲速。為了保證壓氣機(jī)有較高的效率和較寬的穩(wěn)定工作范圍，美國民用發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇 /壓氣機(jī)的進(jìn)口軸向 Mc的選取值不超過 0.500.55，美國軍c1a用發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇/壓氣機(jī)的進(jìn)口軸向 Ma1的選取值不超過0.600.65。前蘇聯(lián)為了追求發(fā)動(dòng)機(jī)的迎風(fēng)面積小，軍機(jī)的 Mc選取

29、值大于0.65 ( <0.68 ),壓氣機(jī)的效率就要犧牲一些。我C1a們國內(nèi)在壓氣機(jī)的研制過程中，在經(jīng)歷了許多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)之后，也認(rèn)識(shí)到Mc的選取至關(guān)重c1a要，當(dāng)Mc >0.65，就有可能導(dǎo)致壓氣機(jī)的效率下降和喘振裕度降低。c1a（四）動(dòng)葉進(jìn)口預(yù)旋速度 cm的選取在多級(jí)壓氣機(jī)中，動(dòng)葉進(jìn)口的預(yù)旋速度C|u是由前一級(jí)的靜葉產(chǎn)生，壓氣機(jī)第一級(jí)動(dòng)葉的進(jìn)口要想獲得預(yù)旋速度 Gu，則需要在第一級(jí)動(dòng)葉之前加裝進(jìn)口導(dǎo)流葉片（也稱進(jìn)口預(yù)旋 導(dǎo)葉）。動(dòng)葉進(jìn)口預(yù)旋速度 C|u對(duì)氣體在整個(gè)基元級(jí)中的流動(dòng)和基元級(jí)的反力度有較大的影 響，在基元級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需要靈活選取動(dòng)葉進(jìn)口預(yù)旋速度Gu。（1）正預(yù)旋C|u

30、 （ C|u的方向與圓周速度u的方向相同）的作用在動(dòng)葉進(jìn)口軸向速度 Ga和圓周速度u不變的條件下，采用正預(yù)旋Gu可以減小動(dòng)葉進(jìn)口 的相對(duì)速度Wi，如圖3- 14所示。在動(dòng)葉尖部，由于半徑大，圓周速度U大，動(dòng)葉進(jìn)口的相對(duì)速度w1就大，對(duì)多級(jí)壓氣機(jī)的進(jìn)口級(jí)來說，由于此時(shí)氣流的溫度比較低（壓氣機(jī)尚未 對(duì)氣流加功），容易出現(xiàn)動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì) M%過高的現(xiàn)象，而 M%過高就有可能造成激波損失 大、動(dòng)葉效率下降的問題，采用正預(yù)旋可有效降低動(dòng)葉進(jìn)口的相對(duì)Mw。圖3 14采用正預(yù)旋減小 w圖3 15采用正預(yù)旋增大Ga此外，在圓周速度 u不變、動(dòng)葉進(jìn)口 w1的大小不變、方向可以改變的條件下，增大正預(yù)旋C,u ,如圖

31、3 15所示，可增大動(dòng)葉進(jìn)口的軸向速度 c1a ,即可以增大壓氣機(jī)的流量或減 小壓氣機(jī)的迎風(fēng)面積。反預(yù)旋Gu （ Gu的方向與圓周速度u的方向相反）的作用在壓氣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免因不同葉高處的基元級(jí)對(duì)氣體的加功量不同而造成的沿葉高 不同能量氣體之間的參混損失，通常在設(shè)計(jì)動(dòng)葉時(shí)安排加功量沿葉高分布基本相等，即Lu=u葉尖 Wu葉尖=u 葉根 Wu葉根, 這樣，在葉根處，由于葉根半徑小，葉根的圓周速度u葉根就小，則必須葉根處的扭速 Wu葉根大。這樣，動(dòng)葉根部基元級(jí)的速度三角形就有可能出現(xiàn)如圖32 2W1 -W211所示的情況，從反力度的公式（2）可以看出，這種基元級(jí)的反力度很低，Lu并且動(dòng)葉出口速

32、度c2大，C2偏離軸向的角度也大（。2?。?，對(duì)基元級(jí)靜葉的設(shè)計(jì)很不利。在這種情況下，如果采用反預(yù)旋 Gu，如圖3- 16所示，則可以增大基元級(jí)的反力度，減小 動(dòng)葉出口速度C2，增大：2角度，改善基元級(jí)靜葉的設(shè)計(jì)條件。雖然采用反預(yù)旋會(huì)增大動(dòng)葉 進(jìn)口的相對(duì)速度 w,，但是，由于動(dòng)葉的根部的圓周速度u小，一般情況下 W,不大，不會(huì)出現(xiàn)因M幽過大而帶來的動(dòng)葉效率急劇下降的問題。圖3-16采用反預(yù)旋減小 q、增大：-2第五節(jié)壓氣機(jī)平面葉柵流動(dòng)在亞聲速基元級(jí)中，動(dòng)葉和靜葉構(gòu)成的葉柵通道以及氣流相對(duì)于動(dòng)葉和靜葉的流動(dòng)都有 著共同的特點(diǎn)，都是氣流在沿流向擴(kuò)張的通道中減速擴(kuò)壓流動(dòng)，同時(shí)氣流的角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)（由與軸

33、向的夾角大偏轉(zhuǎn)到與軸向的夾角?。Ｒ虼耍梢杂脝为?dú)一排葉片來模擬氣流在基元級(jí)中動(dòng)葉或靜葉中的流動(dòng)，這種在平面上展開的模擬葉柵就是本節(jié)所要介紹的壓氣機(jī)平面葉 柵。早期的亞聲速壓氣機(jī)的動(dòng)葉和靜葉的設(shè)計(jì)都是以平面葉柵試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)的，壓氣機(jī)的流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算最初也是從計(jì)算平面葉柵流場(chǎng)（二維流場(chǎng)）開始的，平面葉柵的理論和試驗(yàn)研究在壓氣機(jī)的研制和發(fā)展過程中起到過非常重要的作用。雖然氣流在 二維平面葉柵中的 流動(dòng)與在真實(shí)壓氣機(jī)中的三維流動(dòng)存在著一些重要的差異（如沿葉高方向的壓力梯度和動(dòng)葉中的離心力場(chǎng)等等），但是，對(duì)初學(xué)者來說，了解氣流在平面葉柵中的流動(dòng)及平面葉柵的特性， 對(duì)于學(xué)習(xí)和掌握有關(guān)壓氣機(jī)的基本知識(shí)和理

34、論還是很有幫助的。本書第二章和第三章的前面內(nèi)容主要介紹的是壓氣機(jī)中的一維流動(dòng)情況，即沿壓氣機(jī)軸向（葉片排前后）氣流流動(dòng)參數(shù)會(huì)發(fā)生那些變化。本節(jié)將介紹壓氣機(jī)平面葉柵和氣體在平面葉柵中的二維流動(dòng)情況， 即在單排葉片的范圍內(nèi)， 氣流流動(dòng)參數(shù)沿壓氣機(jī)軸向和周向發(fā)生變 化的情況。一、平面葉柵的幾何參數(shù)平面葉柵是由多個(gè)形狀相同的葉片（通常7片以上）按一定的要求排列起來組成的，其幾何參數(shù)包括葉型的幾何參數(shù)和葉柵中決定葉片位置的葉柵幾何參數(shù)。（一） 葉型幾何參數(shù)（參見圖 3 17）（1）中弧線：葉型內(nèi)切小圓的中心的連線。（2） 弦長b:中弧線與葉型前、后緣的交點(diǎn)A點(diǎn)和B點(diǎn)之間直線為弦，長度以 b表示。（3）

35、最大撓度fmax及其位置a： fmax為中弧線到弦的最大垂直距離，最大撓度fmax的位置距前緣點(diǎn)距離為 a。在氣動(dòng)上，具有決定意義的往往不是這兩個(gè)參數(shù)的絕對(duì)值的大小，f_ a而是其無因次相對(duì)值，故通常以f二皿 和a = 表示。bb（4） 最大厚度Cmax及其位置e：葉型的最大厚度為 Cmax，距前緣的位置為 e,常用相對(duì)值c = Cma 和 e = e 表示。bb（5） 葉型前緣角1和后緣角 2 :中弧線在前緣點(diǎn) A和后緣點(diǎn)B的切線與弦之間的夾角。(6) 葉型彎角二：V - 1 2，二為表示葉型彎曲程度的參數(shù)，二越大，則葉型彎曲越厲 害。(7) 葉型表面座標(biāo)：用上述(2)(6)參數(shù)和選定的曲線

36、類型(圓弧、拋物線、多項(xiàng)式 等等)確定了葉型的中弧線以后，將原始葉型(中弧線為直線的對(duì)稱葉型，本書第四 章中有介紹)的厚度移植到中弧線曲線上，可得到葉型的表面座標(biāo)。葉背表面也稱為 葉片吸力面，葉盆表面也稱為葉片壓力面。(二) 葉柵幾何參數(shù)(參見圖 3 18)(1 ) 葉型安裝角'-y :葉型弦線與葉柵額線的夾角，葉柵額線是連接所有葉片前緣A點(diǎn)的直線，葉型安裝角確定了葉型在葉柵中的安裝(角度)位置。(2 ) 柵距t :兩相鄰葉型對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間沿額線方向的距離。有了葉型安裝角1 y和柵距t后,葉柵的幾何參數(shù)便完全確定了，但是在實(shí)際應(yīng)用中，下面兩個(gè)參數(shù)使用起來更加直 接和方便，因而得到更多的應(yīng)用

37、。K(3) 葉柵稠度：稠度等于弦長和柵距的比值，即二£，表示葉柵中葉片的相對(duì)稠密 程度。(4) 幾何進(jìn)口角1你和幾何出口角 :分別是中弧線在前緣 A點(diǎn)和后緣B點(diǎn)處的切線 與額線的夾角，這兩個(gè)角度是確定氣流在葉柵進(jìn)口和出口處方向的參考基準(zhǔn)。二、亞聲速進(jìn)口氣流在平面葉柵中的流動(dòng)當(dāng)葉柵進(jìn)口亞聲速來流的 Ma比較高時(shí)(Ma達(dá)到0.8左右)，在葉柵通道的內(nèi)部就有 可能出現(xiàn)局部超聲速流動(dòng)，如圖3 19(a)所示，這時(shí)的來流 Ma在氣動(dòng)上被稱為臨界 Ma。將葉型的前緣放大看(圖3 19 ( b),葉型的前緣是一個(gè)半徑為 r1的小圓圓周的一部分，當(dāng)氣流流到前緣處就分為兩股，一股流向葉背，一股流向葉盆

38、，于是在葉片前緣就有一個(gè)分叉點(diǎn)A。在A點(diǎn)處的氣流不可能同時(shí)具有兩個(gè)速度，所以A點(diǎn)處的速度應(yīng)該等于零，A點(diǎn)也稱為前駐點(diǎn)。前駐點(diǎn)A不一定與前緣點(diǎn) A相重合，前駐點(diǎn)A隨來流相對(duì)于葉片情況而定， 不是一個(gè)固定點(diǎn)。由于前緣小圓的半徑ri很小，前緣葉型的曲率很大， 產(chǎn)生了角加速度很大的繞前緣小圓 的加速繞流流動(dòng)，從駐點(diǎn) A繞向葉背的氣流繞流的角度大，產(chǎn)生了更大的加速，到達(dá)某一 點(diǎn)時(shí)（D點(diǎn)）達(dá)到聲速，此后超聲速氣流沿葉背凸面繼續(xù)加速流動(dòng)并發(fā)出膨脹波，圖中虛線表示膨脹波，點(diǎn)劃線表示聲速線，葉背超聲速區(qū)以激波結(jié)束。 在圖中所示的來流方向條件下， 從駐點(diǎn)A繞向葉盆的氣流繞流的角度小，產(chǎn)生的加速小，葉盆附近沒有出現(xiàn)

39、局部超聲速流 動(dòng)。葉型前緣部分的形狀對(duì)葉柵的臨界M%有比較大的影響，一般來講，前緣小圓的半徑r1增大、葉型的相對(duì)最大厚度 c增大和其位置e靠近前緣、中弧線的撓度f增大和其位置a靠 近前緣等因素，都會(huì)使葉柵的臨界Ma“減小，即在來流 Ma比較低的情況下，葉柵中就會(huì)出現(xiàn)局部超聲速流動(dòng)和激波。圖3- 19葉柵中流動(dòng)示意圖圖3 20為葉片表面附近的 Ma分布圖，從前緣開始葉背表面的 Ma 直升高，葉背表 面附近有局部超聲速區(qū)，激波前 Ma達(dá)到最高值，激波后 Ma迅速下降。葉盆的 Ma變化相 對(duì)比較平緩。在相同弦向位置上，葉背氣流速度大于葉盆氣流速度， 因此葉背靜壓小于葉盆由于氣體有粘性，葉片表面總有附

40、面層存在。葉盆表面由于逆壓梯度不大，所以附面層 不太厚，所帶來的摩擦損失也不嚴(yán)重。葉背表面的逆壓梯度比較大，附面層相對(duì)較厚，而且還有激波，激波后的靜壓突升會(huì)使葉背表面的附面層進(jìn)一步增厚甚至分離，即產(chǎn)生激波一一附面層干涉現(xiàn)象。當(dāng)氣流分別由葉背和葉盆流到葉型尾緣處時(shí)，葉片兩邊的附面層及附面層脫離葉片時(shí)產(chǎn)生的旋向相反的旋渦匯合到一起，形成葉片尾跡和產(chǎn)生尾跡旋渦耗散損失。尾跡是由附面層中低能量的氣體構(gòu)成，因此，尾跡區(qū)中的總壓比主流區(qū)低很多。此外，由于葉背表面的附面層厚，葉盆表面的附面層薄，造成尾跡是不對(duì)稱的，葉背一側(cè)的總壓虧損相對(duì)大一些，如圖3- 21 (a)所示。由于尾跡區(qū)中氣體的總壓和速度與主流區(qū)

41、中的不同，在葉柵的下游就會(huì)發(fā)生不同能量氣體之間的摻混現(xiàn)象，在摻混過程中也會(huì)有機(jī)械能的損失。隨著流動(dòng)向下游發(fā)展，尾跡區(qū)逐漸加寬，但尾跡區(qū)與主流區(qū)的差異(不均勻程度)逐漸減小。圖3 21平面葉柵中的葉型損失60-50:p.s.S.S.il>iI40:tx圖3 22葉柵出口氣流角沿柵距方向分布葉柵出口的氣流角度沿柵距方向的分布如圖3 22所示，可將這一分布沿柵距方向進(jìn)行質(zhì)量平均積分，得到葉柵出口的平均出氣角打02W2：2dt：2 宀.(3 12)f P2w2dt0 2 2(3 12)式中的'、W和為沿柵距方向每一位置處的當(dāng)?shù)刂?，分母的積分值為單 個(gè)葉柵通道的流量。葉柵出口的平均出氣角：

42、與葉柵的幾何出口角-：2k通常不相等，它們之間的夾角被稱為落后角、；，、.二jk _爲(wèi)。在平面葉柵二維流動(dòng)的情況下，氣體在葉柵通道中沿曲線流動(dòng)時(shí)，氣體所受到的離心力 與從葉片壓力面到吸力面的壓力梯度相抗衡，當(dāng)氣流接近尾緣時(shí)， 由于從壓力面到吸力面的壓力梯度減小(在尾緣點(diǎn)處葉盆和葉背的壓差為零)，氣流趨向于靠近壓力面一側(cè)流動(dòng)，葉型的彎角二越大，這一傾向越明顯，即氣流的落后角越大。從圖3-22上也可以看出，葉片壓力面的導(dǎo)向作用大于吸力面。從圖3- 18上可以看出，在葉柵出口處葉片壓力面與額線的夾角小于葉型中弧線與額線的夾角，因此，葉型尾緣附近的厚度也對(duì)落后角有較大的影響，葉片尾緣越厚，落后角越大。

43、葉柵中的流動(dòng)損失由以下各項(xiàng)組成：(1) 附面層內(nèi)氣體的摩擦損失；(2) 逆壓梯度作用下的附面層分離損失，特別是激波一一附面層干涉會(huì)加重分離，導(dǎo)致分離損失急劇增加，如圖 3-21(c)所示；(3) 激波造成的總壓損失；(4) 尾跡損失(葉片兩側(cè)附面層在尾緣處脫體時(shí)產(chǎn)生的旋渦流動(dòng)損失，如圖3 21(b) 所示)和尾跡區(qū)與主流區(qū)的摻混損失。以上損失也稱為葉型損失。三、平面葉柵的氣動(dòng)參數(shù)平面葉柵中的流動(dòng)是二維流動(dòng)，葉柵中各點(diǎn)處的流動(dòng)參數(shù)不相同，可以采用質(zhì)量平均的方法得到葉柵進(jìn)出口氣流參數(shù)的平均值，用氣流參數(shù)的平均值來反映葉柵的工作狀態(tài)和葉柵的氣動(dòng)性能，以下的平面葉柵氣動(dòng)參數(shù)(參見圖3 18)都是平均值

44、參數(shù)：(1) 進(jìn)氣角r :葉柵進(jìn)口 11截面處氣流來流方向與額線的夾角。(2) 攻角i :氣流進(jìn)氣角'-1與葉柵幾何進(jìn)口角 、k之間的夾角，i - -1k - ：1 , i >0,表示 葉柵在正攻角下工作(如圖3 21), i <0,表示葉柵在負(fù)攻角下工作。(3) 出氣角：2 :葉柵出口 22截面處氣流出氣方向與額線的夾角。(4) 落后角：氣流出氣角'-2與葉柵幾何出口角 jk之間的夾角，：=-2 '2。(5) 氣流轉(zhuǎn)角=二：氣流流過葉柵后，氣流角度發(fā)生的變化，.廠二訂-訂，可以推導(dǎo)出 如下關(guān)系："=一2 一 1 = ( 2k 一、) 一 (-你

45、一 i)你 一 2k i=i 一、(3 13)(3 13)式表示，增大來流攻角i，如果氣流的落后角:不變，則氣流的轉(zhuǎn)角匚 增 大，或者，來流攻角i不變，流動(dòng)分離造成落后角 :增大，則氣流的轉(zhuǎn)角二 減小。葉柵 的氣流轉(zhuǎn)角與動(dòng)葉的加功和增壓性能以及與靜葉的導(dǎo)向和增壓性能密切相關(guān)，是反映 葉柵性能的重要參數(shù)之一。(6) 總壓損失系數(shù)：表示氣流流過葉柵時(shí)的總壓損失的大小，也是反映葉柵性能的重要 參數(shù)之一，其定義為* *一 Pl 一 P212(314)Pi -P1為了使用方便，利用葉柵總壓恢復(fù)系數(shù)二二衛(wèi)2和氣動(dòng)函數(shù)P1二(Maj =衛(wèi)11 廠可得到P1(1+寧皿：尸1 (3 15)1-二叫)(7 )葉柵

46、進(jìn)口馬赫數(shù) Ma1和葉柵出口馬赫數(shù) Ma2。（8）葉柵的靜壓增壓比P2Pl四、平面葉柵試驗(yàn)平面葉柵試驗(yàn)是通過實(shí)驗(yàn)的手段來研究不同幾何特征的葉柵在不同的進(jìn)口條件（Maa1和i ）和出口條件（M a2和卩2 ）下的葉柵氣動(dòng)性能。在軸流式壓氣機(jī)研制歷程中的早期，Pl在理論計(jì)算和數(shù)值模擬還不能夠獲得準(zhǔn)確的葉柵性能和流場(chǎng)信息的情況下，軸流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)主要是通過依據(jù)大量的平面葉柵試驗(yàn)建立起來的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的。由于平面葉柵試驗(yàn)可以較為方便地提供詳細(xì)的葉柵流場(chǎng)信息，因此，直到現(xiàn)在，平面葉柵試驗(yàn)依然在探索壓氣機(jī)中的流動(dòng)機(jī)理和先進(jìn)數(shù)值模擬方法的驗(yàn)證等方面發(fā)揮著重要的作用。圖3 23亞聲速葉柵風(fēng)洞平面葉柵試驗(yàn)是在葉柵

47、風(fēng)洞中進(jìn)行的，首先介紹葉柵風(fēng)洞（僅限于亞聲速葉柵風(fēng)洞）。圖3 23為一平面葉柵風(fēng)洞示意圖，風(fēng)洞由上游氣源壓氣機(jī)供氣，氣流沿箭頭方向流入風(fēng)洞的 穩(wěn)定箱段，在穩(wěn)定箱中，氣流的速度減小，上游氣源傳下來的脈動(dòng)和不均勻性得到改善，穩(wěn) 定箱中的格柵可以將大尺寸的旋渦破碎。穩(wěn)定箱之后是風(fēng)洞的收縮段，在收縮段氣流重新得到加速，在順壓梯度下，收縮段風(fēng)洞壁面上的附面層會(huì)減薄，可使試驗(yàn)段進(jìn)口流場(chǎng)更加均勻。為了減小風(fēng)洞壁面附面層的影響，葉片的高度不能太小，葉片高度h與弦長b之比，應(yīng)h >2.0。由于是用有限葉片的葉柵來模擬無限葉片的葉柵（將環(huán)形葉柵展開到平面上相當(dāng) b于無限長的平面葉柵），葉片的數(shù)目應(yīng)不少于 7

48、片。為了進(jìn)一步減少風(fēng)洞四個(gè)壁面上的附面 層的影響，在試驗(yàn)段的進(jìn)口，還采用了抽取壁面附面層的裝置。平面葉柵二維流場(chǎng)的試驗(yàn)測(cè)1量應(yīng)在葉柵中間通道的 丄葉高處進(jìn)行。2圖3 24平面葉柵攻角特性圖3 24為試驗(yàn)測(cè)量得到的平面葉柵攻角特性圖，當(dāng)來流的攻角i從負(fù)值開始增大時(shí)，氣流的轉(zhuǎn)角二也隨之成比例增大，這是因?yàn)樵诠ソ遣惶蟮那闆r下，氣流沒有從葉背表面分離，所以氣流的出氣角：2基本保持不變（落后角 -也就基本不變），按照（3 13）式的規(guī)律，攻角增大幾度，氣流轉(zhuǎn)角也增大幾度。葉柵無分離流動(dòng)狀況下的流動(dòng)損失基本上就是 附面層內(nèi)的摩擦損失，因此總壓損失系數(shù)=基本上保持不變，并且總壓損失系數(shù)一比較小。 當(dāng)攻角i

49、增大到某一數(shù)值in時(shí)，葉背表面開始出現(xiàn)流動(dòng)分離，落后角 加大，氣流轉(zhuǎn)角厶：的增大減緩。由于分離會(huì)帶來流動(dòng)損失，總壓損失系數(shù)逐漸增大。當(dāng)攻角i增大到臨界攻角icr時(shí)，氣流轉(zhuǎn)角達(dá)到最大值 J：max，再繼續(xù)增加攻角i，氣流轉(zhuǎn)角 很快下降，而且 總壓損失系數(shù)急劇上升，這是因?yàn)楫?dāng)i >G后，葉背氣流發(fā)生嚴(yán)重分離所致。在很大的負(fù)攻角下，葉盆表面的氣流也會(huì)發(fā)生分離流動(dòng)，因而總壓損失系數(shù)r也比較大。不同攻角下的葉片表面氣流分離情況如圖3 25所示。在來流低馬赫數(shù)的條件下（Ma < 0.40.6）,葉柵的性能（也P和石）只與來流的攻角i有關(guān)，但是，當(dāng)來流馬赫數(shù) Ma > 0.60.7以后，葉

50、柵的氣流轉(zhuǎn)角.廠：和總壓損失系數(shù) 不但隨攻角i變化，而且還與葉柵的進(jìn)口馬赫數(shù)Ma的變化有關(guān)。圖3 26給出了另一套葉柵在不同葉柵進(jìn)口馬赫數(shù) M下的攻角特性。從圖中可以看出，隨著進(jìn)口馬赫數(shù) M的增大， 低損失系數(shù)的攻角范圍變窄，而且的最低值明顯增大。這是因?yàn)槿~柵中出現(xiàn)了局部超聲速流動(dòng)和激波，激波一一附面層干涉會(huì)加重氣流的分離，導(dǎo)致總壓損失系數(shù)一迅速增大。圖3 25不同攻角下的葉片表面氣流分離圖3-26不同進(jìn)口 Mj下的葉柵攻角特性五、超聲速進(jìn)口氣流在平面葉柵中的流動(dòng)特征以下介紹在進(jìn)口氣流的相對(duì)速度馬赫數(shù)大于1.0情況下的葉柵內(nèi)部流動(dòng)特征。前面在介紹壓氣機(jī)基元級(jí)中的流動(dòng)時(shí)強(qiáng)調(diào)過要避免靜葉通道內(nèi)出現(xiàn)

51、較強(qiáng)的激波，因此靜葉進(jìn)口氣流的相對(duì)馬赫數(shù)（也是絕對(duì)馬赫數(shù)）在一般情況下都小于1.0?，F(xiàn)階段進(jìn)口氣流的相對(duì)速度馬赫數(shù)大于1.0情況只發(fā)生壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子上，即動(dòng)葉進(jìn)口氣流的相對(duì)馬赫數(shù)Mw1>l.O。而且，在目前的軸流壓氣機(jī)技術(shù)水平的條件下，動(dòng)葉進(jìn)口氣流的軸向速度馬赫數(shù)Mc仍a1 然小于1.0，在這種情況下，由葉片產(chǎn)生的對(duì)氣流的擾動(dòng)（激波和膨脹波）是可以傳播到 葉柵進(jìn)口（額線）以前和影響柵前流場(chǎng)的。圖3-27為來流相對(duì)馬赫數(shù)大于1.0和反壓p2 一定時(shí)雙圓弧葉型葉柵的流動(dòng)示意圖（圖中的Ma為葉柵進(jìn)口的相對(duì)M w1 ）。圖3-27超音基元流動(dòng)示意圖由圖可見，葉片的前緣處存在一道脫體的曲線激波，這道

52、激波的下半截伸向相鄰葉片的葉背，并大體上接近于正激波的形狀。這一道激波被稱為槽道激波或通道激波。在槽道激波基本上是正激波的情況下，波后氣流減速為亞聲速。脫體曲線激波的上半段伸向葉柵的左上 方，稱之為外伸激波。連接槽道激波和外伸激波的弓形段稱為弓形激波。弓形脫體激波后的亞聲速氣流在前緣小圓前緣滯止點(diǎn)A處分成兩支，分別流向葉型吸力面和壓力面。沿吸力面流動(dòng)的氣流，在流過前緣和吸力面曲面時(shí)重新加速為超音速，并發(fā)出一系列膨脹波，如圖虛線所示。氣流膨脹加速的程度，取決于ABCD所折轉(zhuǎn)的角度。由圖可見，在這些膨脹波中，由型面AB所發(fā)生的膨脹波和由同一葉片發(fā)出的外伸激波相交，并使外伸激波削弱和向后彎曲；由BC

53、發(fā)出的膨脹波和葉片 2所發(fā)出的外伸激波相交。由 C點(diǎn)發(fā)出的膨脹波打在葉片 2的脫體激波與滯止流線的交點(diǎn)上，稱這一道膨脹波為第一道吞入膨脹波；由CD發(fā)出的膨脹波和葉片 2所發(fā)出的槽道激波相交，并使槽道激波的強(qiáng)度有所變化。在D點(diǎn)處槽道激波波前的當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)最高，因而激波最強(qiáng)。由于受到來自本葉片和相鄰一片膨脹波的作用，夕卜伸激波的強(qiáng)度總體上被削弱，并且逐漸向后彎曲。外伸到無限遠(yuǎn)處時(shí)，外伸激波被削弱為一道弱擾動(dòng)波，即膨脹波和外伸激波在無限遠(yuǎn)處完全抵消。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論研究計(jì)算，外伸激波衰減得很快。因此，外伸激波通常為一道斜的弱激波，并在外伸過程中逐漸消失， 而槽道激波則大體接近于一道正激波。因此，在分析

54、和控制葉柵的增壓和流動(dòng)損失時(shí)，應(yīng)更加注意柵道激波。槽道激波導(dǎo)致的損失不僅在于激波本身引起的總壓下降，還在于槽道激波一直伸到下面葉片的葉背上，引起激波一一附面層干涉，它所造成的損失往往比激波本身引起的損失大得多。為了減少超音葉柵的損失，應(yīng)設(shè)法降低槽道激波的強(qiáng)度，即降低槽道激波前的馬赫數(shù)。 在葉背型面 D點(diǎn)處波前馬赫數(shù)最高，而且激波一一附面層干涉也就發(fā)生在此型面附近，所 以，降低D點(diǎn)處的馬赫數(shù)會(huì)有效降低損失。由圖可見，減少D點(diǎn)以前的型面轉(zhuǎn)折角度數(shù)，即將葉型的吸力面進(jìn)口段設(shè)計(jì)成小轉(zhuǎn)折角、零轉(zhuǎn)折角甚至負(fù)轉(zhuǎn)折角的型面（又稱為預(yù)壓縮葉型），可以降低D點(diǎn)處的Ma數(shù)。激波的存在一方面可以非常有效地將輪緣功轉(zhuǎn)化為壓力勢(shì)能，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換；一方面， 過強(qiáng)的激波所產(chǎn)生的激波損失以及激波一一附面層干涉損失將使葉型損失急劇提高，進(jìn)而使動(dòng)葉的效率下降。因此，激波在葉柵通道中的存在有一個(gè)最優(yōu)的強(qiáng)度，跨音級(jí)的設(shè)計(jì)主要是合理布置激波結(jié)構(gòu)，使之不但在二維葉柵通道中的最優(yōu)，而且從三維葉片通道內(nèi)也以優(yōu)化的形式存在，這也是目前全三維PVD （Prescribed velocity distribution，指定速度分布）設(shè)計(jì)的目的。超聲速葉柵設(shè)計(jì)通常選擇在這樣一種通道激波結(jié)構(gòu)的形式：激波附體，葉柵通道存在進(jìn)口區(qū)域弱波和通道內(nèi)強(qiáng)波的雙波結(jié)構(gòu)。因此