葉輪機(jī)械原理_第一章

1、葉輪機(jī)械原理北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院流體機(jī)械系二零零六年三月第一章緒 論 本課程的學(xué)習(xí) 作業(yè)（40）、考試（60） 教材：1）航空燃?xì)廨啓C(jī)原理（上） 彭澤琰、劉剛 編著國防工業(yè)出版社 2000年2）葉輪機(jī)械原理（講義） 流體機(jī)械系 編2006年第一章緒 論 主要參考書：1）船用燃?xì)廨啓C(jī)軸流式葉輪機(jī)械氣動熱力學(xué)（原理、設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究），李根深、陳乃興、強(qiáng)國芳，國防工業(yè)出版社，1980年2）葉輪機(jī)械原理 舒士甄、朱力、柯玄齡、蔣滋康，清華大學(xué)出版社，1991年3）Cumpsty N.A., Compressor aerodynamics,Longman Scientific &

2、Technical, 1989.第一章緒 論4）離心式壓縮機(jī)原理 徐忠，機(jī)械工業(yè)出版社，19905）軸流壓氣機(jī)氣動設(shè)計(jì)，秦鵬 譯，NASA-SP-36，19656）泵與風(fēng)機(jī)（第二版）， 郭立均，中國電力出版社，1997年7）葉輪機(jī)械-原理與結(jié)構(gòu)，鮑爾，W.，1984年6月第1版第一章緒 論一、葉輪機(jī)的廣泛應(yīng)用風(fēng)車、水車、電風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、汽輪機(jī)、水輪機(jī)、水泵、螺旋槳（飛機(jī)、輪船）、航空發(fā)動機(jī)中的風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪 UDF on Boeing 727 test bedGP7200 for the Airbus A380T.O. Thrust 70,000 lbBypass ratio 8.7 to

3、 1Fan Diameter 116 in (295 cm)第一章緒 論二、葉輪機(jī)的定義與分類 各式各樣的葉輪機(jī)存在一個共同的特點(diǎn)葉片圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在葉片的旋轉(zhuǎn)過程中完成了葉片機(jī)與工質(zhì)（流體：氣、液、二者混合物）之間的能量交換； 根據(jù)葉輪機(jī)與流體之間能量交換的方向，葉輪機(jī)分為兩大類型。第一章緒 論一種類型葉輪機(jī)的作用是將流體的機(jī)械能和熱能轉(zhuǎn)換為對外界輸出的機(jī)械功，這種葉輪機(jī)有：水輪機(jī)、汽輪機(jī)、渦輪等；另一種類型葉輪機(jī)的作用是將外界輸入的機(jī)械功轉(zhuǎn)換為流體的機(jī)械能（動能和壓力勢能）和熱能，這種葉輪機(jī)有：鼓風(fēng)機(jī)、水泵、螺旋槳、風(fēng)扇、壓氣機(jī)等。第一章緒 論三、葉輪機(jī)的主要形式 根據(jù)工質(zhì)的流動形式，葉

4、輪機(jī)分為軸流式、徑流式和斜流式三種形式，上述三種形式中的任意兩種的組合則稱為混合式葉輪機(jī)。緒 論第一章（一）軸流式軸流式壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子第一章軸流式渦輪緒 論第一章軸流泵緒 論軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子第一章（二）徑流式離心式壓氣機(jī)緒 論第一章緒 論圖 1.9 DA12061離心式壓縮機(jī)縱剖面構(gòu)造圖1、吸氣室； 2、葉輪； 3、擴(kuò)壓器； 4、彎道； 5、回流器； 6、蝸室； 7、8、軸端密封；9、隔板密封； 10、輪蓋密封； 11、平衡盤； 12、推力盤； 13、聯(lián)軸器； 14、卡環(huán)；15、主軸； 16、機(jī)殼； 17、支持軸承； 18、止推軸承； 19、隔板；20、回流器導(dǎo)流葉片； 21、中間冷卻吸氣

5、管； 22、出氣管第一章緒 論離心式水泵向心式渦輪第一章緒 論緒 論第一章（三）斜流式斜流式壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子混合式壓氣機(jī)第一章緒 論第一章緒 論第一章緒 論渦輪增壓器第一章緒 論第一章緒 論四、氣流在壓氣機(jī)和渦輪中的流動特點(diǎn) 氣流在壓氣機(jī)中是從壓力低的地方流向壓力高的地方，沿流向是逆壓梯度； 壓氣機(jī)一級的增壓能力相對較小，壓氣機(jī)的級數(shù)多；第一章緒 論 氣流在渦輪中是從壓力高的地方流向壓力低的地方，沿流向是順壓梯度； 渦輪一級的作功能力相對較大，渦輪的級數(shù)少；第一章緒 論 多級壓氣機(jī)存在一個非常重要的問題級與級之間的匹配問題第一章緒 論五、葉輪機(jī)研究的意義 葉輪機(jī)與能源的消耗和能源的利用密切相關(guān)； 研

6、制各種類型的高效率、低消耗的葉輪機(jī)，可為建設(shè)節(jié)約型社會做出重要貢獻(xiàn)。第一章緒 論六、航空葉片機(jī)的發(fā)展概況 航空葉片機(jī)發(fā)展到目前的水平，最主要的進(jìn)步是在最近幾十年取得的。人類實(shí)現(xiàn)動力飛行夢想已100年，前四十年使用的是活塞式發(fā)動機(jī)。第一章緒 論1903年12月17日，美國萊特兄弟把活塞發(fā)動機(jī)用于飛行者1號上，完成了世界上首次載人動力飛行?！帮w行者”1號采用的活塞式發(fā)動機(jī)第一章緒 論1930年，英國人弗蘭克惠特爾獲得了燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)專利，這是第一個具有實(shí)用性的噴氣發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)。但第一架噴氣飛機(jī)（He-178）卻出現(xiàn)在德國，于1939年8月27日首飛。The Second Jet Flight - A

7、ug. 27, 1940Caproni-Campini CC-2British Gloster E.28/39 / Whittle W-1X jet engineThe Third Jet Flight - May 15, 1941第一章緒 論 早期的航空葉片機(jī)（壓氣機(jī)、渦輪）的設(shè)計(jì)主要是依靠實(shí)驗(yàn)研究的手段。20世紀(jì)五十年代，中國旅美學(xué)者吳仲華先生提出兩個流面（S1和S2 ）的理論，葉片機(jī)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算研究開始取得突破性進(jìn)展。第一章緒 論S1和S2流面S1流面第一章緒 論S2流面第一章緒 論第一章緒 論 20世紀(jì)60年代Novak等人發(fā)展出了S2流面上的流線曲率法（流線迭代法）。 流線曲率法將

8、三維空間問題化簡為S2流面上的準(zhǔn)三維問題。 補(bǔ)充兩個模型方程（經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式）：流動損失模型 和 落后角模型第一章緒 論 20世紀(jì)90年代以后，計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）在葉輪機(jī)設(shè)計(jì)中所起的作用越來越大。 IHPTET計(jì)劃（1988年2003年）（Integrated High Performance TurbineEngine Technology ,綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)）第一章緒 論 IHPTET計(jì)劃要用15年的時間實(shí)現(xiàn)過去40年所取得的進(jìn)步推重比翻一倍，達(dá)到1520，SFC下降4050。（Specific Fuel Consumpt

9、ion，單位燃油消耗率）GE90 circa 199644:1 systempressure ratioFanBoosterHP (core)compressorComparison of CJ805 and GE90 Compressor SystemsCJ805 circa 196012.5:1 pressure ratio第一章緒 論七、葉輪機(jī)械內(nèi)部的復(fù)雜流動 葉輪機(jī)通常由多級組成，而每一級中又分成轉(zhuǎn)子部分（動葉和輪轂）和靜子部分（靜葉和機(jī)匣）； 早期的壓氣機(jī)葉型源于飛機(jī)翼型。迄今，葉輪機(jī)內(nèi)流動的研究思路仍然可以追溯到在機(jī)翼上首先研究成功的成果。第一章緒 論葉片繞流比飛機(jī)翼型繞流要復(fù)雜得

10、多，直接沿用翼型繞流的成熟概念往往不能成功，必需考慮葉輪機(jī)械本身的特殊性和復(fù)雜性。葉輪機(jī)內(nèi)部流動的特殊性：1）葉型不是孤立存在，它受到相鄰葉型的影響；2）葉輪機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，葉片從根到尖的展向流動變化非常大；第一章緒 論第一章緒 論 葉輪機(jī)內(nèi)部流動的復(fù)雜性：1）流動的三維性 ；2）流體的可壓縮性 ；3）流體的粘性 ；4）流動的非定常性。第一章緒 論CasingScrapingVortexPassageshockInlet relative flowWtInnercasingTip clearanceleakageflowSecondary flowWrWBladeboundary layerboundary layerHubCornerVortexTipCornerVortexTrailingVortex第一章緒 論八、葉輪機(jī)械內(nèi)部復(fù)雜流動的簡化 假設(shè)流動是定常的； 假設(shè)流動是軸對稱的； 假定粘性作用主要在邊界層中。第一章緒