葉輪機械原理

葉輪機械原理流體機械系二零零六年三月2021/5/91第一章緒論

本課程的學習作業(yè)（40％）、考試（60％）教材：

1）航空燃氣輪機原理（上）彭澤琰、劉剛編著國防工業(yè)出版社2000年2）葉輪機械原理（講義）流體機械系編2006年2021/5/92第一章緒論

主要參考書：

1）船用燃氣輪機軸流式葉輪機械氣動熱力學（原理、設計與試驗研究），李根深、陳乃興、強國芳，國防工業(yè)出版社，1980年2）葉輪機械原理舒士甄、朱力、柯玄齡、蔣滋康，清華大學出版社，1991年3）CumpstyN.A.,Compressoraerodynamics,LongmanScientific&Technical,1989.2021/5/93第一章緒論

4）離心式壓縮機原理徐忠，機械工業(yè)出版社，1990

5）軸流壓氣機氣動設計，秦鵬譯，NASA-SP-36，19656）泵與風機（第二版），郭立均，中國電力出版社，1997年

7）葉輪機械--原理與結構，鮑爾，W.，1984年6月第1版

2021/5/94第一章緒論

一、葉輪機的廣泛應用風車、水車、電風扇、鼓風機、汽輪機、水輪機、水泵、螺旋槳（飛機、輪船）、航空發(fā)動機中的風扇、壓氣機、渦輪……2021/5/952021/5/962021/5/972021/5/982021/5/992021/5/9102021/5/9112021/5/9122021/5/9132021/5/9142021/5/9152021/5/916UDFonBoeing727testbed2021/5/917GP7200fortheAirbusA380T.O.Thrust70,000lbBypassratio8.7to1FanDiameter116in(295cm)2021/5/9182021/5/919第一章緒論二、葉輪機的定義與分類各式各樣的葉輪機存在一個共同的特點——葉片圍繞旋轉軸旋轉，在葉片的旋轉過程中完成了葉片機與工質（流體：氣、液、二者混合物）之間的能量交換；根據(jù)葉輪機與流體之間能量交換的方向，葉輪機分為兩大類型。2021/5/920第一章緒論一種類型葉輪機的作用是將流體的機械能和熱能轉換為對外界輸出的機械功，這種葉輪機有：水輪機、汽輪機、渦輪等；另一種類型葉輪機的作用是將外界輸入的機械功轉換為流體的機械能（動能和壓力勢能）和熱能，這種葉輪機有：鼓風機、水泵、螺旋槳、風扇、壓氣機等。2021/5/921第一章緒論三、葉輪機的主要形式

根據(jù)工質的流動形式，葉輪機分為軸流式、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。

2021/5/922第一章緒論（一）軸流式軸流式壓氣機轉子2021/5/923軸流式渦輪轉子第一章緒論2021/5/924第一章緒論軸流泵軸流式水輪機轉子2021/5/925（二）徑流式離心式壓氣機轉子第一章緒論2021/5/926第一章緒論圖1.9DA120－61離心式壓縮機縱剖面構造圖1、吸氣室；2、葉輪；3、擴壓器；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、機殼；17、支持軸承；18、止推軸承；19、隔板；20、回流器導流葉片；21、中間冷卻吸氣管；22、出氣管2021/5/927第一章緒論離心式水泵2021/5/928向心式渦輪第一章緒論2021/5/929第一章緒論（三）斜流式斜流式壓氣機轉子2021/5/930混合式壓氣機第一章緒論2021/5/931第一章緒論2021/5/932第一章緒論渦輪增壓器2021/5/933第一章緒論2021/5/934第一章緒論四、氣流在壓氣機和渦輪中的流動特點氣流在壓氣機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；壓氣機一級的增壓能力相對較小，壓氣機的級數(shù)多；2021/5/935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；2021/5/936第一章緒論

多級壓氣機存在一個非常重要的問題——級與級之間的匹配問題2021/5/937第一章緒論五、葉輪機研究的意義葉輪機與能源的消耗和能源的利用密切相關；研制各種類型的高效率、低消耗的葉輪機，可為建設節(jié)約型社會做出重要貢獻。2021/5/938第一章緒論六、航空葉片機的發(fā)展概況航空葉片機發(fā)展到目前的水平，最主要的進步是在最近幾十年取得的。人類實現(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。2021/5/939

1903年12月17日，美國萊特兄弟把活塞發(fā)動機用于飛行者1號上，完成了世界上首次載人動力飛行。第一章緒論

“飛行者”1號采用的活塞式發(fā)動機2021/5/940第一章緒論

1930年，英國人弗蘭克·惠特爾獲得了燃氣渦輪發(fā)動機專利，這是第一個具有實用性的噴氣發(fā)動機設計。但第一架噴氣飛機（He-178）卻出現(xiàn)在德國，于1939年8月27日首飛。2021/5/941TheSecondJetFlight-Aug.27,1940Caproni-CampiniCC-22021/5/942BritishGlosterE.28/39/WhittleW-1XjetengineTheThirdJetFlight-May15,19412021/5/943第一章緒論

早期的航空葉片機（壓氣機、渦輪）的設計主要是依靠實驗研究的手段。20世紀五十年代，中國旅美學者吳仲華先生提出兩個流面（S1和S2

）的理論，葉片機設計的理論計算研究開始取得突破性進展。2021/5/944第一章緒論S1和S2流面2021/5/945S1流面第一章緒論2021/5/946S2流面第一章緒論2021/5/947第一章緒論20世紀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）。流線曲率法將三維空間問題化簡為S2流面上的準三維問題。補充兩個模型方程（經(jīng)驗關系式）：流動損失模型和落后角模型2021/5/948第一章緒論20世紀90年代以后，計算流體力學（ComputationalFluidDynamics,CFD）在葉輪機設計中所起的作用越來越大。

IHPTET計劃（1988年～2003年）（IntegratedHighPerformanceTurbineEngineTechnology,

綜合高性能渦輪發(fā)動機技術）2021/5/949第一章緒論

IHPTET計劃要用15年的時間實現(xiàn)過去40

年所取得的進步推重比翻一倍，達到15～20，

SFC下降40％～50％。（SpecificFuelConsumption，單位燃油消耗率）2021/5/950GE90circa199644:1systempressureratioFanBoosterHP(core)compressorComparisonofCJ805andGE90CompressorSystemsCJ805circa196012.5:1pressureratio2021/5/951第一章緒論七、葉輪機械內部的復雜流動

葉輪機通常由多級組成，而每一級中又分成轉子部分（動葉和輪轂）和靜子部分（靜葉和機匣）；早期的壓氣機葉型源于飛機翼型。迄今，葉輪機內流動的研究思路仍然可以追溯到在機翼上首先研究成功的成果。2021/5/952第一章緒論2021/5/953葉片繞流比飛機翼型繞流要復雜得多，直接沿用翼型繞流的成熟概念往往不能成功，必需考慮葉輪機械本身的特殊性和復雜性。葉輪機內部流動的特殊性：1）葉型不是孤立存在，它受到相鄰葉型的影響；2）葉輪機屬于旋轉機械，葉片從根到尖的展向流動變化非常大；3）葉輪機通常存在內外環(huán)壁邊界。

第一章緒論2021/5/954第一章緒論

葉輪機內部流動的復雜性：

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。2021/5/955第一章