第5講 壓氣機(jī)

1、2 某渦噴發(fā)動機(jī)，當(dāng)速度為某渦噴發(fā)動機(jī)，當(dāng)速度為900km/h時，尾噴管中時，尾噴管中燃?xì)馔耆蛎?，尾噴管出口燃?xì)馑俣葹槿細(xì)馔耆蛎洠矅姽艹隹谌細(xì)馑俣葹?00m/s。忽。忽略燃油流量，求通過該發(fā)動機(jī)略燃油流量，求通過該發(fā)動機(jī)空氣的空氣的可用功可用功、推進(jìn)功推進(jìn)功和和排氣動能損失排氣動能損失，以及，以及發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率。 3 將上題中的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)改為涵道比為將上題中的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)改為涵道比為1的渦輪的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，其飛行速度和燃?xì)獍l(fā)生器的可用功相同風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，其飛行速度和燃?xì)獍l(fā)生器的可用功相同，忽略能量傳遞過程中的各種損失，可用功均勻分配，忽略能量傳遞過程中的各種損失，

2、可用功均勻分配給內(nèi)外涵氣流，求通過該發(fā)動機(jī)給內(nèi)外涵氣流，求通過該發(fā)動機(jī)推進(jìn)功推進(jìn)功和和排氣動能損排氣動能損失失，以及，以及發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率?？捎霉捎霉ν七M(jìn)功推進(jìn)功動能損失動能損失推進(jìn)效率推進(jìn)效率q對氣流進(jìn)行壓縮,提高壓力。q流通能力強(qiáng)、效率高、穩(wěn)定、重量輕q離心式 軸流式n葉輪的進(jìn)口部分，為迎合氣流相對運(yùn)動的速度方向，做成向旋轉(zhuǎn)葉輪的進(jìn)口部分，為迎合氣流相對運(yùn)動的速度方向，做成向旋轉(zhuǎn)方向前彎。工作輪葉片之間呈徑向輻射狀的通道，氣流通過工作方向前彎。工作輪葉片之間呈徑向輻射狀的通道，氣流通過工作輪增加速度和壓力。輪增加速度和壓力。n氣流從工作葉輪流出后，進(jìn)入擴(kuò)壓器。擴(kuò)壓器與葉輪

3、之間有較大氣流從工作葉輪流出后，進(jìn)入擴(kuò)壓器。擴(kuò)壓器與葉輪之間有較大的縫隙，氣流在縫隙中也起擴(kuò)壓作用，故也稱縫隙擴(kuò)壓器。的縫隙，氣流在縫隙中也起擴(kuò)壓作用，故也稱縫隙擴(kuò)壓器。n從擴(kuò)壓器出來的氣流，進(jìn)入集氣管進(jìn)一步減速擴(kuò)壓，然后進(jìn)入燃從擴(kuò)壓器出來的氣流，進(jìn)入集氣管進(jìn)一步減速擴(kuò)壓，然后進(jìn)入燃燒室。燒室。n軸向進(jìn)氣，徑向排氣軸向進(jìn)氣，徑向排氣n離心增壓離心增壓n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：l結(jié)構(gòu)簡單、零件少結(jié)構(gòu)簡單、零件少l工作可靠工作可靠l級增壓能力強(qiáng)級增壓能力強(qiáng)(6-12)l性能較穩(wěn)定性能較穩(wěn)定l軸向尺寸軸向尺寸n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：l效率低，迎風(fēng)面大效率低，迎風(fēng)面大n適合：適合：小推力級小推力級 n空氣通過壓氣機(jī)基本上沿

4、軸向流動，故稱軸流壓氣機(jī)空氣通過壓氣機(jī)基本上沿軸向流動，故稱軸流壓氣機(jī) 。n軸向進(jìn)氣，軸向排氣軸向進(jìn)氣，軸向排氣n優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：流通能力強(qiáng)、徑向尺寸小、效率高：流通能力強(qiáng)、徑向尺寸小、效率高n缺點(diǎn)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、級增壓能力小、軸向尺寸長、零件多：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、級增壓能力小、軸向尺寸長、零件多n適合：適合：高推力級、高速飛行飛機(jī)發(fā)動機(jī)高推力級、高速飛行飛機(jī)發(fā)動機(jī)n多級組成，每一級由工作輪與靜子組成。多級組成，每一級由工作輪與靜子組成。 工作輪（轉(zhuǎn)子工作輪（轉(zhuǎn)子：葉片、盤、軸：葉片、盤、軸 靜子（導(dǎo)向器靜子（導(dǎo)向器：葉片、機(jī)匣：葉片、機(jī)匣n轉(zhuǎn)子在前、靜子在后，交錯排列轉(zhuǎn)子在前、靜子在后，交錯排列 n分解分

5、解級級: 一排轉(zhuǎn)子葉片一排轉(zhuǎn)子葉片 + 一排靜子葉片一排靜子葉片 基元級基元級:以以ab為母線繞壓氣機(jī)軸旋轉(zhuǎn)為母線繞壓氣機(jī)軸旋轉(zhuǎn)所切割的壓氣機(jī)級稱為基元級所切割的壓氣機(jī)級稱為基元級 平面葉柵平面葉柵: 在平面上展開的基元級葉柵在平面上展開的基元級葉柵 n平面葉柵平面葉柵q動葉葉柵動葉葉柵q靜葉葉柵靜葉葉柵n截面編號截面編號q1 動葉進(jìn)口動葉進(jìn)口q2 動葉出口（靜葉進(jìn)口）動葉出口（靜葉進(jìn)口）q3 靜葉出口靜葉出口 1.葉型的幾何參數(shù)葉型的幾何參數(shù) 最大相對厚度Cmax及其相對位置e ：葉型中直徑最大的內(nèi)切圓的直徑為Cmax，其圓心到葉型前緣的距離為e2.葉柵的幾何參數(shù)葉柵的幾何參數(shù) 在工程中，往

6、往應(yīng)用在工程中，往往應(yīng)用葉柵稠度葉柵稠度和幾何進(jìn)口和幾何進(jìn)口角角1K和幾何出口角和幾何出口角2K來表示。來表示。 3.氣流與葉柵相對關(guān)系的幾何參數(shù)氣流與葉柵相對關(guān)系的幾何參數(shù) 流入角1和流出角2：分別表示流入葉柵的氣流和流出葉柵的氣流與葉柵額線的夾角。攻角i：流入葉柵的氣流方向與葉型中弧線前緣切線之間的夾角。落后角：流出葉柵的氣流方向與葉型中弧線后緣切線之間的夾角。 氣流通過基元級時，轉(zhuǎn)子葉片給氣流作功加壓，使氣流在氣流通過基元級時，轉(zhuǎn)子葉片給氣流作功加壓，使氣流在基元級出口處總壓和總溫都比進(jìn)口處高?；壋隹谔幙倝汉涂倻囟急冗M(jìn)口處高。 氣體在工作輪中得到切線氣體在工作輪中得到切線方向的加速度

7、，其加速方向與方向的加速度，其加速方向與工作輪運(yùn)動方向相一致，這說工作輪運(yùn)動方向相一致，這說明是工作輪葉柵對氣流作了機(jī)明是工作輪葉柵對氣流作了機(jī)械功。將工作輪出口氣流與進(jìn)械功。將工作輪出口氣流與進(jìn)口氣流相比較，不僅增加了動口氣流相比較，不僅增加了動能，而且靜焓能，而且靜焓h也增加了。也增加了。 用能量方程推導(dǎo)壓氣機(jī)壓縮功用能量方程推導(dǎo)壓氣機(jī)壓縮功 根據(jù)能量方程，在絕熱的條件下，外界加入氣體的功等于氣體靜焓增量及動能增量之和： 氣體靜焓增加是由于相對運(yùn)動速度減小以及在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中氣流所處半徑變化所致 用動量方程推導(dǎo)壓氣機(jī)壓縮功用動量方程推導(dǎo)壓氣機(jī)壓縮功工作輪相對于發(fā)動機(jī)只有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動而沒有軸向運(yùn)動

8、，因此只有切向分力對氣體作功，軸向分力不對氣體作功。 單位時間內(nèi)工作輪加于單位質(zhì)量氣體的功 設(shè)計(jì)壓氣機(jī)時采用以上兩個公式計(jì)算壓氣機(jī)基元級葉柵對設(shè)計(jì)壓氣機(jī)時采用以上兩個公式計(jì)算壓氣機(jī)基元級葉柵對氣流所作的壓縮功，進(jìn)而算出基元級可能達(dá)到的增壓比。氣流所作的壓縮功，進(jìn)而算出基元級可能達(dá)到的增壓比。 通過測量壓氣機(jī)軸的扭矩和轉(zhuǎn)速來計(jì)算壓氣機(jī)功通過測量壓氣機(jī)軸的扭矩和轉(zhuǎn)速來計(jì)算壓氣機(jī)功測量壓氣機(jī)進(jìn)、出口氣流的總溫，然后用下式計(jì)算測量壓氣機(jī)進(jìn)、出口氣流的總溫，然后用下式計(jì)算 用此式計(jì)算，無論壓氣機(jī)效率高低，其結(jié)果用此式計(jì)算，無論壓氣機(jī)效率高低，其結(jié)果總是正確的總是正確的 為了降低燃?xì)廨啓C(jī)的耗油率，壓氣機(jī)的

9、增壓比需要不為了降低燃?xì)廨啓C(jī)的耗油率，壓氣機(jī)的增壓比需要不斷提高；為了減輕燃?xì)廨啓C(jī)的重量，希望盡量減少壓氣機(jī)斷提高；為了減輕燃?xì)廨啓C(jī)的重量，希望盡量減少壓氣機(jī)的級數(shù)。于是提高壓氣機(jī)各級增壓比就顯得十分重要。的級數(shù)。于是提高壓氣機(jī)各級增壓比就顯得十分重要。 只有增加壓氣機(jī)基元級對單位質(zhì)量氣體所作的功，才只有增加壓氣機(jī)基元級對單位質(zhì)量氣體所作的功，才能提高壓氣機(jī)基元級的增壓比。能提高壓氣機(jī)基元級的增壓比。 增加壓氣機(jī)基元級的切線速度可以增加加功量。但是增加壓氣機(jī)基元級的切線速度可以增加加功量。但是切線速度的增加，一方面受葉輪強(qiáng)度的限制；另一方面受切線速度的增加，一方面受葉輪強(qiáng)度的限制；另一方面受基

10、元級進(jìn)口相對運(yùn)動速度基元級進(jìn)口相對運(yùn)動速度w1的限制，的限制， w1過大會使基元級過大會使基元級效率降低。效率降低。 使使u2u1，可以增加壓氣機(jī)基元級的加功量。，可以增加壓氣機(jī)基元級的加功量。 目前實(shí)際使用的軸流壓氣機(jī)級增壓比一般在目前實(shí)際使用的軸流壓氣機(jī)級增壓比一般在1.151.35左右。為了進(jìn)一步提高軸流壓氣機(jī)級增壓比，可以左右。為了進(jìn)一步提高軸流壓氣機(jī)級增壓比，可以采用超聲級或跨聲級壓氣機(jī)。采用超聲級或跨聲級壓氣機(jī)。 n如果不對氣體作功，只靠減速增壓，壓力增加程度充其如果不對氣體作功，只靠減速增壓，壓力增加程度充其量等于來流總壓；量等于來流總壓；n動葉對氣體作功加入能量，增加絕對動能，

11、使氣流在其動葉對氣體作功加入能量，增加絕對動能，使氣流在其后的靜葉中有足夠的能量減速增壓；后的靜葉中有足夠的能量減速增壓；n排列順序：動葉在前，靜葉在后。排列順序：動葉在前，靜葉在后。n級增壓原理：級增壓原理：q動葉加功增速，同時靠擴(kuò)張葉柵通道減相對速度，增加壓力；動葉加功增速，同時靠擴(kuò)張葉柵通道減相對速度，增加壓力；q靜葉使在動葉中獲得能量的氣流，通過擴(kuò)張葉柵通道減速增壓。靜葉使在動葉中獲得能量的氣流，通過擴(kuò)張葉柵通道減速增壓。同時靜子還起導(dǎo)向作用將氣流引導(dǎo)到一定方向，為順利進(jìn)入下同時靜子還起導(dǎo)向作用將氣流引導(dǎo)到一定方向，為順利進(jìn)入下一級做準(zhǔn)備。一級做準(zhǔn)備。 如果壓氣機(jī)的某一級，沿葉高各基元

12、級進(jìn)口相對速度如果壓氣機(jī)的某一級，沿葉高各基元級進(jìn)口相對速度w1都是都是超聲速，那就稱為超聲速級。超聲速，那就稱為超聲速級。一般葉片靠近葉尖的部分，由于輪緣一般葉片靠近葉尖的部分，由于輪緣切線速度切線速度u較高，基元級進(jìn)口相對速度為超聲速，而靠近葉根的部較高，基元級進(jìn)口相對速度為超聲速，而靠近葉根的部分基元級進(jìn)口相對速度仍是亞聲速，這樣的壓氣機(jī)級稱為跨聲速級分基元級進(jìn)口相對速度仍是亞聲速，這樣的壓氣機(jī)級稱為跨聲速級。很多壓氣機(jī)的進(jìn)口第一級屬于跨聲速級。很多壓氣機(jī)的進(jìn)口第一級屬于跨聲速級。 由于出口處氣流相對速度由于出口處氣流相對速度w2減小，使工作輪葉柵出減小，使工作輪葉柵出口氣流絕對速度口氣

13、流絕對速度c2具有與工作輪旋轉(zhuǎn)方向相同的切線具有與工作輪旋轉(zhuǎn)方向相同的切線分速度分速度c2u，這說明超聲工作輪葉柵對氣體作了功。，這說明超聲工作輪葉柵對氣體作了功。 n工作輪葉柵出口氣流的絕對速度具有切線方向的分速工作輪葉柵出口氣流的絕對速度具有切線方向的分速度度c，因此工作輪后的氣流是一個強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)流場，因此工作輪后的氣流是一個強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)流場，在空氣的旋轉(zhuǎn)流場中，氣流參數(shù)沿葉高方向變化很大，在空氣的旋轉(zhuǎn)流場中，氣流參數(shù)沿葉高方向變化很大，這是由下述二個根本矛盾引起的：這是由下述二個根本矛盾引起的：n工作輪基元級的切線速度工作輪基元級的切線速度u沿葉高不相等，使得工沿葉高不相等，使得工作輪對氣

14、流所作的功沿葉高不相等。作輪對氣流所作的功沿葉高不相等。n工作輪后空氣旋轉(zhuǎn)流場中，必然產(chǎn)生徑向壓力差，工作輪后空氣旋轉(zhuǎn)流場中，必然產(chǎn)生徑向壓力差，半徑越大，靜壓越高，使氣體微團(tuán)產(chǎn)生向心加速度。半徑越大，靜壓越高，使氣體微團(tuán)產(chǎn)生向心加速度。n基元級葉柵形狀和氣流流入角沿葉高不同，因此軸流基元級葉柵形狀和氣流流入角沿葉高不同，因此軸流壓氣機(jī)的工作輪葉片和導(dǎo)流器葉片呈扭曲狀。壓氣機(jī)的工作輪葉片和導(dǎo)流器葉片呈扭曲狀。 n沿壓氣機(jī)軸向，隨氣體不斷被增壓，氣體密度加大，沿壓氣機(jī)軸向，隨氣體不斷被增壓，氣體密度加大，氣流通道逐級縮小，葉片變短。氣流通道逐級縮小，葉片變短。 壓氣機(jī)在工作時，氣壓氣機(jī)在工作時，

15、氣流進(jìn)入葉片的流入角流進(jìn)入葉片的流入角1一一般情況下與葉片的幾何進(jìn)般情況下與葉片的幾何進(jìn)口角口角1k不相一致，它們不相一致，它們的差值，稱為攻角，用的差值，稱為攻角，用i表示表示 氣流流出葉片的流出角氣流流出葉片的流出角2一般情況下與葉片一般情況下與葉片的幾何出口角的幾何出口角2k不相一致，它們的差值，稱為不相一致，它們的差值，稱為落后角，用落后角，用表示表示 如果壓氣機(jī)出口反壓如果壓氣機(jī)出口反壓，進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量減少進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量減少，使速度，使速度c下降時，攻角下降時，攻角i增增大。攻角過大時，氣流從葉大。攻角過大時，氣流從葉背分離，稱為背分離，稱為。失速可。失速可使壓氣機(jī)效率明

16、顯下降，甚使壓氣機(jī)效率明顯下降，甚至?xí)箟簹鈾C(jī)出現(xiàn)不穩(wěn)定工至?xí)箟簹鈾C(jī)出現(xiàn)不穩(wěn)定工作作(旋轉(zhuǎn)失速和喘振旋轉(zhuǎn)失速和喘振)。 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速一定，如果壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速一定，如果壓氣機(jī)出口反壓氣機(jī)出口反壓，進(jìn)入壓氣，進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量增加，使速度機(jī)的空氣流量增加，使速度c上升時，攻角上升時，攻角i下降，反壓下下降，反壓下降到一定程度后，可以使攻角降到一定程度后，可以使攻角為負(fù)值。當(dāng)攻角負(fù)值過大，氣為負(fù)值。當(dāng)攻角負(fù)值過大，氣流會從葉盆處分離，葉片通道流會從葉盆處分離，葉片通道被分離區(qū)所占，進(jìn)入壓氣機(jī)的被分離區(qū)所占，進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量不再增加?？諝饬髁坎辉僭黾?。 壓氣機(jī)某一級出現(xiàn)失速，并不是沿整個環(huán)面同時壓

17、氣機(jī)某一級出現(xiàn)失速，并不是沿整個環(huán)面同時發(fā)生，而是在部分葉片中某個部位上首先發(fā)生，而且發(fā)生，而是在部分葉片中某個部位上首先發(fā)生，而且失速區(qū)不是固定在這些葉片上。失速區(qū)相對于工作輪失速區(qū)不是固定在這些葉片上。失速區(qū)相對于工作輪葉柵向與旋轉(zhuǎn)方向相反的方向移動。如果在地面上觀葉柵向與旋轉(zhuǎn)方向相反的方向移動。如果在地面上觀察時，失速區(qū)附著在壓氣機(jī)工作輪上以較低的轉(zhuǎn)速、察時，失速區(qū)附著在壓氣機(jī)工作輪上以較低的轉(zhuǎn)速、相同的方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，故稱為相同的方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，故稱為。 失速區(qū)移動的原因是由于失速區(qū)把通道堵塞了一失速區(qū)移動的原因是由于失速區(qū)把通道堵塞了一部分，使一部分氣流向切線方向的前后分流，導(dǎo)致失部分，

18、使一部分氣流向切線方向的前后分流，導(dǎo)致失速區(qū)后面葉片的正攻角加大，失速區(qū)前面葉片及失速速區(qū)后面葉片的正攻角加大，失速區(qū)前面葉片及失速區(qū)葉片的攻角減小。于是失速區(qū)的葉片便解除了失速區(qū)葉片的攻角減小。于是失速區(qū)的葉片便解除了失速狀態(tài)而失速區(qū)后面的葉片產(chǎn)生了失速。于是失速區(qū)就狀態(tài)而失速區(qū)后面的葉片產(chǎn)生了失速。于是失速區(qū)就向葉片旋轉(zhuǎn)相反的方向移動向葉片旋轉(zhuǎn)相反的方向移動 。 喘振發(fā)生時，出現(xiàn)強(qiáng)烈的不穩(wěn)定工作現(xiàn)象：流過壓喘振發(fā)生時，出現(xiàn)強(qiáng)烈的不穩(wěn)定工作現(xiàn)象：流過壓氣機(jī)的氣流沿壓氣機(jī)的軸線方向產(chǎn)生低頻高振幅的強(qiáng)氣機(jī)的氣流沿壓氣機(jī)的軸線方向產(chǎn)生低頻高振幅的強(qiáng)烈振蕩，壓氣機(jī)出口平均壓力急劇下降，出口總壓、烈振

19、蕩，壓氣機(jī)出口平均壓力急劇下降，出口總壓、流量、流速產(chǎn)生大幅度脈動，并伴隨有強(qiáng)烈放炮聲。流量、流速產(chǎn)生大幅度脈動，并伴隨有強(qiáng)烈放炮聲。這種現(xiàn)象稱為壓氣機(jī)喘振這種現(xiàn)象稱為壓氣機(jī)喘振 多級軸流壓氣機(jī)，以下兩種情況易發(fā)生喘振多級軸流壓氣機(jī)，以下兩種情況易發(fā)生喘振 在一定轉(zhuǎn)速下工作時，若出口反壓增大，使空氣流量降低到一在一定轉(zhuǎn)速下工作時，若出口反壓增大，使空氣流量降低到一定程度時，就會出現(xiàn)喘振。定程度時，就會出現(xiàn)喘振。當(dāng)發(fā)動機(jī)偏離設(shè)計(jì)工作狀況而降低轉(zhuǎn)速時容易發(fā)生喘振。當(dāng)發(fā)動機(jī)偏離設(shè)計(jì)工作狀況而降低轉(zhuǎn)速時容易發(fā)生喘振。 從多級軸流壓氣機(jī)的某一個或數(shù)個中間截面放氣。當(dāng)從多級軸流壓氣機(jī)的某一個或數(shù)個中間截面

20、放氣。當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速低于一定數(shù)值時將放氣門打開，其目的是為了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速低于一定數(shù)值時將放氣門打開，其目的是為了增加前幾級壓氣機(jī)的空氣流量，避免前幾級因攻角過大而增加前幾級壓氣機(jī)的空氣流量，避免前幾級因攻角過大而產(chǎn)生氣流分離。中間級放氣也避免了后幾級壓氣機(jī)進(jìn)口流產(chǎn)生氣流分離。中間級放氣也避免了后幾級壓氣機(jī)進(jìn)口流速過大，攻角過小，甚至為負(fù)值，使增壓比和效率降低的速過大，攻角過小，甚至為負(fù)值，使增壓比和效率降低的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 旋轉(zhuǎn)一級或數(shù)級導(dǎo)流葉片。用這種方法防喘時，在第旋轉(zhuǎn)一級或數(shù)級導(dǎo)流葉片。用這種方法防喘時，在第一級壓氣機(jī)前面往往裝有進(jìn)口導(dǎo)流葉片。一級壓氣機(jī)前面往往裝有進(jìn)口導(dǎo)流葉片。 采用雙軸或三軸結(jié)構(gòu)。采用雙軸或三軸結(jié)構(gòu)。將壓氣機(jī)分成二個或三個轉(zhuǎn)子將壓氣機(jī)分成二個或三個轉(zhuǎn)子，分別由各自的渦輪來帶動，于是一臺高增壓比的壓氣機(jī)，分別由各自的渦輪來帶動，于是一臺高增壓比的壓氣機(jī)就成為二個或三個低增壓比的壓氣機(jī)。就成為二個或三個低增壓比的壓氣機(jī)。 壓氣機(jī)工況變化時，各主要參數(shù)壓氣機(jī)工況