壓氣機的原理和特性

1、燃氣輪機各部件的工作原理（壓氣機原理與特性）1主要內容p壓氣機的類型及特點壓氣機的類型及特點p壓氣機級的工作原理壓氣機級的工作原理p壓氣機的特性壓氣機的特性p壓氣機的不穩(wěn)定工況壓氣機的不穩(wěn)定工況p壓氣機的結構壓氣機的結構2（一）壓氣機的類型及特點u 1.壓氣機的作用 向燃氣輪機的燃燒室連續(xù)不斷地供應高壓向燃氣輪機的燃燒室連續(xù)不斷地供應高壓空氣。空氣。u 2.壓氣機的類型 軸流式：軸流式：Axial-flow Type Air Compressor 離心式離心式: : Centrifugal-flow Type Air Compressor3 按分類4 軸流式軸流式5 離心式通風機（通風機（11

2、0 kPa) 110 kPa) 鼓風機（鼓風機（110110400 kPa) 400 kPa) 壓氣機（壓氣機（400 kPa)400 kPa)6 按工作原理和構造分類按工作原理和構造分類活塞式壓氣機活塞式壓氣機 葉輪式壓氣機葉輪式壓氣機特殊引射式壓縮器特殊引射式壓縮器 按壓縮氣體壓力范圍分類 軸流式壓氣機和離心式壓氣機性能比較7u 3.軸流式壓氣機結構轉子轉子 動葉片動葉片 葉輪或轉鼓葉輪或轉鼓 主軸主軸靜子靜子 靜葉片（導流葉片、靜葉）靜葉片（導流葉片、靜葉） 氣缸氣缸 ( (機匣機匣) ) 軸承軸承89軸流式壓氣機的結構軸流式壓氣機的結構壓氣機的級壓氣機的級 由一列動葉片由一列動葉片和緊

3、跟其后的一列靜葉片構成的和緊跟其后的一列靜葉片構成的壓氣機的基本工作單元。壓氣機的基本工作單元。第一級第一級世界各大燃氣輪機公司采用的壓氣機10壓氣機的發(fā)展趨勢提高壓比：單臺已達提高壓比：單臺已達3030以上以上提高通流量提高通流量 大功率大功率提高效率提高效率 提高經(jīng)濟性提高經(jīng)濟性11（二）壓氣機級的工作原理u 1. 1.軸流式壓氣機的基元級軸流式壓氣機的基元級 用假想的同軸圓柱面切割級的葉片排所到的高度無用假想的同軸圓柱面切割級的葉片排所到的高度無窮小的級。窮小的級。12三個特征截面：級前1、級間2和級后3u 2.葉型與葉柵的幾何和氣動參數(shù)葉型的幾何參數(shù)葉型的幾何參數(shù) 葉型葉型 型線型線

4、中弧線中弧線 弦長弦長b 前后緣方向角前后緣方向角 葉型的彎曲角葉型的彎曲角13葉型：葉片橫截面形狀。葉型：葉片橫截面形狀。型線：葉型輪廓線，包括背弧型線、內型線：葉型輪廓線，包括背弧型線、內弧型線及二者的連接圓弧線?；⌒途€及二者的連接圓弧線。中弧線：葉型型線所有內切圓圓心的連線。中弧線：葉型型線所有內切圓圓心的連線。弦長：型線在弦線方向的投影長度。弦長：型線在弦線方向的投影長度。外弦長外弦長b內弦長內弦長中弧線兩端點的連線。中弧線兩端點的連線。前后緣方向角：葉型前、后緣點處中弧線的切前后緣方向角：葉型前、后緣點處中弧線的切線與外弦線間的夾角。線與外弦線間的夾角。葉型的彎曲角葉型的彎曲角：表征

5、葉型彎曲程度的角度。：表征葉型彎曲程度的角度。 = 1+ 2 葉柵的幾何參數(shù) 葉柵前后額線葉柵前后額線 葉型安裝角葉型安裝角p 柵距柵距t t 入口安裝角入口安裝角1j 出口安裝角出口安裝角2j14葉柵前后額線：葉型前、后緣點的連線。葉柵前后額線：葉型前、后緣點的連線。葉型安裝角 ：外弦線與圓周方向的夾角。 ：兩個相鄰葉型上同位點在圓周方向上的距離。 ：葉型中弧線在前緣點和后緣點的切線與葉柵前、后額線的夾角。主要氣動參數(shù)主要氣動參數(shù) 進出氣角進出氣角1和和2 進口沖角進口沖角 i =1j-1 出口落后角出口落后角 =1j-1 氣流轉折角氣流轉折角 =2-115進出氣角：氣流進、出口相對流速與葉

6、柵前、進出氣角：氣流進、出口相對流速與葉柵前、后額線的夾角。后額線的夾角。進口沖角：葉柵的入口安裝角與氣流進氣角進口沖角：葉柵的入口安裝角與氣流進氣角之差。之差。出口落后角：葉柵的出口安裝角與氣流出氣角之差。出口落后角：葉柵的出口安裝角與氣流出氣角之差。氣流轉折角：氣流出氣角與進氣角之差。氣流轉折角：氣流出氣角與進氣角之差。u 3.壓氣機基元級的速度三角形16氣流的絕對速度、氣流的絕對速度、相對速度和圓周速相對速度和圓周速度的矢量關系：度的矢量關系：17扭速：相對速度的圓周分量變化量。扭速：相對速度的圓周分量變化量。( (反映外界對氣體做功量的大小。反映外界對氣體做功量的大小。) )u 4.壓

7、氣機級中的能量轉換關系級中能量轉換計算級中能量轉換計算動葉柵加功量動葉柵加功量(對單位質量氣體對單位質量氣體)212122222112222112221122212111222d21d22cuppppccwwwu wccqv pccqpccppq 18靜葉柵（能量守恒）靜葉柵（能量守恒）22233222322322322322ccppqppccq19級中增壓過程級中增壓過程外界通過工作葉輪上的動葉柵將壓縮外界通過工作葉輪上的動葉柵將壓縮軸功傳遞給流過動葉柵的空氣，一方軸功傳遞給流過動葉柵的空氣，一方面使氣流的絕對速度升高，另一方面面使氣流的絕對速度升高，另一方面使氣流的相對速度降低；使氣流的相

8、對速度降低；氣流在流過動葉柵時的相對速度降低氣流在流過動葉柵時的相對速度降低所釋放的動能，除一部分轉換為摩擦所釋放的動能，除一部分轉換為摩擦熱并為氣體吸收外，其余都轉換成氣熱并為氣體吸收外，其余都轉換成氣體的壓力勢能，使氣體的壓力升高；體的壓力勢能，使氣體的壓力升高；氣流在流過靜葉柵時相對速度降低所氣流在流過靜葉柵時相對速度降低所釋放的動能，除一部分轉換為摩擦熱釋放的動能，除一部分轉換為摩擦熱并為氣體吸收外，其余都轉換成氣體并為氣體吸收外，其余都轉換成氣體的壓力勢能，使氣體的壓力升高的壓力勢能，使氣體的壓力升高。20影響壓氣機級的增壓能力的因素（限制條件）影響壓氣機級的增壓能力的因素（限制條件

9、）葉片材料許用應力（強度）的限制葉片材料許用應力（強度）的限制 圓周速度圓周速度u不能過大不能過大葉柵氣動性能的限制葉柵氣動性能的限制 氣流轉折角氣流轉折角不宜過大不宜過大21u 5.軸流式壓氣機的效率和能量損失22理理想想壓壓縮縮功功輸輸入入的的機機械械功功能量損失能量損失壓氣機效率：壓氣機效率：100%1scccscWhWWWWh 23內部損失內部損失 型阻損失型阻損失（影響因素：葉型）（影響因素：葉型） a、葉柵表面附面層中產生的、葉柵表面附面層中產生的摩擦和脫離摩擦和脫離現(xiàn)象引起；現(xiàn)象引起； b、葉片表出口尾跡中的、葉片表出口尾跡中的渦流渦流以及與主流的以及與主流的摻混摻混； c、在超

10、音速氣流中發(fā)生的、在超音速氣流中發(fā)生的激波激波現(xiàn)象等引起的能量損失?，F(xiàn)象等引起的能量損失。 端部損失端部損失（影響因素：葉片高度）（影響因素：葉片高度）端部摩擦端部摩擦二次流損失二次流損失 徑向間隙的漏氣損失徑向間隙的漏氣損失（影響因素：動靜間隙大小、前后壓差和（影響因素：動靜間隙大小、前后壓差和直徑大小等）直徑大小等）外部損失外部損失 支持軸承和止推軸承上的機械摩擦損失；支持軸承和止推軸承上的機械摩擦損失； （相應的減損措施：采用高效軸承、適當潤滑等措施）（相應的減損措施：采用高效軸承、適當潤滑等措施） 經(jīng)過經(jīng)過高壓轉子軸端與機匣之間的間隙泄漏到外界去的漏氣損失。高壓轉子軸端與機匣之間的間隙

11、泄漏到外界去的漏氣損失。（相應的減損措施：增設氣封裝置）（相應的減損措施：增設氣封裝置）壓氣機的能量損失（三）壓氣機的特性u 1.1.壓氣機的特性與特性線壓氣機的特性與特性線流量特性：流量特性： 在轉速、進氣壓力和進氣溫度一定時，壓比和等熵效在轉速、進氣壓力和進氣溫度一定時，壓比和等熵效率隨流量變化的關系，稱為壓氣機的流量特性。率隨流量變化的關系，稱為壓氣機的流量特性。 壓氣機的流量特性線：壓氣機的流量特性線： 通過實驗測定并作出的壓氣機流量特性曲線。通過實驗測定并作出的壓氣機流量特性曲線。 壓氣機的特性線組：壓氣機的特性線組： 不同轉速下的壓氣機特性線繪在一起，所得到的曲線不同轉速下的壓氣機

12、特性線繪在一起，所得到的曲線組，稱為壓氣機的特性線組。組，稱為壓氣機的特性線組。24u 2. 2.單級軸流式壓氣機的特性線單級軸流式壓氣機的特性線25 轉速不變，流量降低到一定值后，壓氣機內的氣流軸向脈動引起的整臺機器的劇烈振動。26 轉速不變，流量增大到一定值后，壓比急劇下降，流量無法繼續(xù)增大的現(xiàn)象。27 壓比隨流量的變化情況（轉速不變）壓比隨流量的變化情況（轉速不變）無損失時：級的壓比隨流無損失時：級的壓比隨流量的增大而減小量的增大而減小考慮摩擦損失時：單位質考慮摩擦損失時：單位質量氣體的損失隨流量的增量氣體的損失隨流量的增大而增大大而增大考慮考慮漩渦損失時：存考慮考慮漩渦損失時：存在使壓

13、比最大的最佳流量在使壓比最大的最佳流量28maxminminmaxmin()/VVVVVqqqqq壓氣機工作范圍式中：某轉速下壓氣機進口的最大空氣流量； 同轉速下壓氣機進口的最小空氣流量。特點 壓比隨流量變化一般不存在左支，喘振點出現(xiàn)在右支上； 壓比和效率隨流量變化的特性線較單級陡峭，高轉速下幾乎成垂線，導致其工作范圍變窄。u 4.壓氣機的通用特性線流量特性線的缺陷：流量特性線的缺陷： 流量為自變量、轉速為參變流量為自變量、轉速為參變量繪制的壓氣機流量特性線只量繪制的壓氣機流量特性線只適用于一定幾何尺寸和進氣條適用于一定幾何尺寸和進氣條件的壓氣機，若壓氣機尺寸或件的壓氣機，若壓氣機尺寸或進氣條

14、件改變，需通過重新實進氣條件改變，需通過重新實驗獲得特性線，應用不便。驗獲得特性線，應用不便。通用特性線：通用特性線： 用壓氣機對應的用壓氣機對應的定性準則數(shù)定性準則數(shù)為自變量繪制出壓氣機的為自變量繪制出壓氣機的通用通用的的壓比特性線和效率特性線。壓比特性線和效率特性線。29“通用的通用的”內涵：內涵： 無論壓氣機的尺寸無論壓氣機的尺寸（幾何相似）、進氣量（幾何相似）、進氣量和進氣條件如何變化，和進氣條件如何變化，該特性線都適用。該特性線都適用?！巴ㄓ玫耐ㄓ玫摹备鶕?jù)：根據(jù)： 根據(jù)根據(jù)相似原理相似原理，若，若對應的對應的定性準則數(shù)定性準則數(shù)彼此彼此相等，則對應的所有無相等，則對應的所有無因次參數(shù)

15、都彼此相等。因次參數(shù)都彼此相等。30壓氣機的定性準則數(shù)壓氣機的定性準則數(shù) 第一級動葉柵的第一級動葉柵的進口速進口速度馬赫數(shù)度馬赫數(shù)和和圓周速度馬赫數(shù)圓周速度馬赫數(shù)是壓氣機的兩個基本定性準是壓氣機的兩個基本定性準則數(shù)，其他任何與之成比例則數(shù)，其他任何與之成比例且相互獨立的無因次參數(shù)都且相互獨立的無因次參數(shù)都可代替成為定性準則數(shù)?？纱娉蔀槎ㄐ詼蕜t數(shù)。某壓氣機通用特性線某壓氣機通用特性線代替代替進口速度馬赫數(shù)進口速度馬赫數(shù)的的定性準則數(shù)定性準則數(shù)代替代替圓周圓周速度馬赫速度馬赫數(shù)數(shù)的定性的定性準則數(shù)準則數(shù)（四）壓氣機的不穩(wěn)定工況31典型的典型的不穩(wěn)定工況不穩(wěn)定工況失速失速喘振喘振阻塞阻塞u 1.

16、1.壓氣機的失速壓氣機的失速 32葉背的邊葉背的邊界層分離界層分離區(qū)易擴大區(qū)易擴大葉柵的失速葉柵的失速 葉柵中體積流量減小時，葉柵背面邊界層發(fā)生嚴重葉柵中體積流量減小時，葉柵背面邊界層發(fā)生嚴重脫離，以致脫離區(qū)占據(jù)大部分流道并引起流動損失急劇脫離，以致脫離區(qū)占據(jù)大部分流道并引起流動損失急劇增大的現(xiàn)象，稱為增大的現(xiàn)象，稱為葉柵的失速葉柵的失速。 當壓氣機的某一級或某列葉柵失速時，壓氣機就進當壓氣機的某一級或某列葉柵失速時，壓氣機就進入入失速狀態(tài)失速狀態(tài)。葉柵失速的特征葉柵失速的特征 一般先發(fā)生在葉柵的若干局部區(qū)域；一般先發(fā)生在葉柵的若干局部區(qū)域； 局部失速區(qū)不是靜止不動的，而是圍繞壓氣機葉輪的局部

17、失速區(qū)不是靜止不動的，而是圍繞壓氣機葉輪的軸線，以低于葉輪的速度與葉輪軸線，以低于葉輪的速度與葉輪同向旋轉同向旋轉； 失速區(qū)的圓周速度一般為葉輪圓周速度的失速區(qū)的圓周速度一般為葉輪圓周速度的20%80%，對多級軸流式壓氣機為對多級軸流式壓氣機為40%60%。 在相對坐標系中，失速區(qū)以相對速度在相對坐標系中，失速區(qū)以相對速度u朝葉柵運動的朝葉柵運動的相反方向傳播相反方向傳播。3334當流量減小時，若葉片當流量減小時，若葉片2的背部先出現(xiàn)氣流分離，葉片的背部先出現(xiàn)氣流分離，葉片2與與3之間的流道將被部分堵塞，于是該流道前方將形成低速氣之間的流道將被部分堵塞，于是該流道前方將形成低速氣流區(qū)（停滯區(qū)）

18、，導致該停滯區(qū)附近的氣流改變流向。流區(qū)（停滯區(qū)），導致該停滯區(qū)附近的氣流改變流向。35 a、隨流量減小，失速先在一隨流量減小，失速先在一個或幾個葉片的葉尖處產生，個或幾個葉片的葉尖處產生，然后沿徑向和周向擴展；然后沿徑向和周向擴展；b、壓比、效率隨流量的減小而連續(xù)變化；壓比、效率隨流量的減小而連續(xù)變化；c、葉圈中可有一個或多個對稱的失速區(qū)，多個失速區(qū)相葉圈中可有一個或多個對稱的失速區(qū)，多個失速區(qū)相互干擾，不穩(wěn)定性增加，常發(fā)生于葉片較長的級中?；ジ蓴_，不穩(wěn)定性增加，常發(fā)生于葉片較長的級中。363738u 3.壓氣機的阻塞39單級單級壓氣壓氣機阻機阻塞的塞的原因原因高轉速下的聲速阻塞高轉速下的聲速

19、阻塞 即氣流流速達到聲即氣流流速達到聲速，流量達到最大臨界值，形成氣流阻塞。速，流量達到最大臨界值，形成氣流阻塞。低轉速下的邊界層脫離阻塞低轉速下的邊界層脫離阻塞 即由于氣流即由于氣流負沖角較大，動葉柵腹面上出現(xiàn)嚴重的氣流負沖角較大，動葉柵腹面上出現(xiàn)嚴重的氣流分離，使出口通流面積減小而發(fā)生阻塞。分離，使出口通流面積減小而發(fā)生阻塞。40多級多級壓氣壓氣機阻機阻塞的塞的原因原因高轉速下的聲速阻塞高轉速下的聲速阻塞 （阻塞機理同單級壓氣機的阻塞機理）（阻塞機理同單級壓氣機的阻塞機理） 。低轉速下的聲速阻塞低轉速下的聲速阻塞 末幾級由于受流末幾級由于受流量增大和前幾級壓比降低、氣流密度減小量增大和前幾

20、級壓比降低、氣流密度減小的雙重影響，氣流速度仍然增加較大并可的雙重影響，氣流速度仍然增加較大并可能達到聲速，從而導致能達到聲速，從而導致聲速阻塞聲速阻塞。常用的防喘措施：常用的防喘措施： (1)(1)中間放氣中間放氣 (2)(2)旋轉導葉旋轉導葉 (3)(3)分軸壓氣機分軸壓氣機4142多級壓氣機的中間放氣機構多級壓氣機的中間放氣機構 中間放氣中間放氣在多級壓氣機通流部分的一個或幾個截面處將一在多級壓氣機通流部分的一個或幾個截面處將一部分氣體放到大氣中或者重新引回壓氣機進口，以防部分氣體放到大氣中或者重新引回壓氣機進口，以防止壓氣機在低速運行時發(fā)生喘振的一種方法。止壓氣機在低速運行時發(fā)生喘振的

21、一種方法。43 中間放氣的防喘機理中間放氣的防喘機理 從壓氣機中間放掉部分氣體，放氣口前流量相對增從壓氣機中間放掉部分氣體，放氣口前流量相對增大，放氣口后流量相對減小，使首、末級的氣流沖角均大，放氣口后流量相對減小，使首、末級的氣流沖角均可以調整到接近設計值，從而消除喘振。可以調整到接近設計值，從而消除喘振。中間放氣措施的優(yōu)缺點中間放氣措施的優(yōu)缺點 優(yōu)點：優(yōu)點：簡單易行，壓比低于簡單易行，壓比低于1010以下時效果較理想。以下時效果較理想。 缺點：缺點：經(jīng)濟性差，因放掉經(jīng)濟性差，因放掉10101515經(jīng)過壓縮的空氣。經(jīng)過壓縮的空氣。放氣口位置對放氣效果的影響放氣口位置對放氣效果的影響 (1)(

22、1)過分靠近壓氣機進口，放氣效果不太明顯；過分靠近壓氣機進口，放氣效果不太明顯； (2)(2)過分靠近壓氣機出口，經(jīng)濟性太差；過分靠近壓氣機出口，經(jīng)濟性太差； (3)(3)大功率燃氣輪機根據(jù)轉速高低分別采用不同的放大功率燃氣輪機根據(jù)轉速高低分別采用不同的放氣口或不同數(shù)量的放氣口放氣，以此改善放氣效果和氣口或不同數(shù)量的放氣口放氣，以此改善放氣效果和經(jīng)濟性。經(jīng)濟性。44 旋轉導葉旋轉導葉 將多級壓氣機某些級的導葉做成可以繞自身軸線旋將多級壓氣機某些級的導葉做成可以繞自身軸線旋轉的結構，使導葉安裝角可根據(jù)需要進行調整。轉的結構，使導葉安裝角可根據(jù)需要進行調整。4546導葉固定和旋轉時氣流速度三角形的

23、變化導葉固定和旋轉時氣流速度三角形的變化47481 1低壓轉子低壓轉子 2 2高壓轉子高壓轉子雙轉子（分軸）燃氣輪機的結構雙轉子（分軸）燃氣輪機的結構分軸壓氣機的防喘原理分軸壓氣機的防喘原理 雙轉子壓氣機利用高壓透平拖動高壓壓氣機，雙轉子壓氣機利用高壓透平拖動高壓壓氣機，低壓透平拖動低壓壓氣機，于是當轉速降低時能夠使低壓透平拖動低壓壓氣機，于是當轉速降低時能夠使高、低壓壓氣機的首級和末級的圓周速度與氣流軸向高、低壓壓氣機的首級和末級的圓周速度與氣流軸向速度都協(xié)調變化，結果使低壓壓氣機的正沖角和高壓速度都協(xié)調變化，結果使低壓壓氣機的正沖角和高壓壓氣機的負沖角消失，從而消除壓氣機的喘振。壓氣機的負

24、沖角消失，從而消除壓氣機的喘振。分軸壓氣機防喘措施的優(yōu)缺點分軸壓氣機防喘措施的優(yōu)缺點 優(yōu)點：優(yōu)點：可實現(xiàn)壓氣機轉速與流量的協(xié)調，高壓比可實現(xiàn)壓氣機轉速與流量的協(xié)調，高壓比下可保證防喘的要求。下可保證防喘的要求。 缺點：缺點：需采用復雜的同心套軸結構。需采用復雜的同心套軸結構。 4950（五）壓氣機的結構燃氣輪機的壓氣機軸側圖燃氣輪機的壓氣機軸側圖5152u壓氣機的靜子壓氣機的靜子氣缸氣缸作用：作用： （1 1）固定其它靜子件；）固定其它靜子件； （2 2）是整臺機組的承力骨架（機組重量、壓縮空）是整臺機組的承力骨架（機組重量、壓縮空氣的內壓力以及其它作用力）。氣的內壓力以及其它作用力）。技術要求（鑄造件）：技術要求（鑄造件）： （1 1）高的剛性；）高的剛性； （2 2）良好的氣動特性（氣流流動損失應?。?。）良好的氣動特性（氣流流動損失應?。?。 （3 3）出口采用擴壓型式的流道。）出口采用擴壓型式的流道。53靜葉靜葉作用：作用： 把氣流在動葉中獲得的動能轉變?yōu)閴毫δ?，同時把氣流在動葉中獲得的動