葉片機(jī)原理課件C看

葉輪機(jī)原理與設(shè)計(jì)?

飛行器動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)教研室?ZZIA?授課教師：馬震宇《航空葉片機(jī)原理》楚武利,劉前智,胡春波主編西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009年版。作者:楚武利，1987年西安交大碩士畢業(yè)后到西工大任教，教授，博導(dǎo)，獲部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)兩項(xiàng)，獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利多項(xiàng)。在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文50多篇，被SCI、EI收錄30多篇。所編本書(shū)為本科教材，詳細(xì)易于學(xué)習(xí)。教 材:?ZZIA參考書(shū)《航空葉片機(jī)原理》胡駿，吳鐵鷹，曹人靖主編國(guó)防工業(yè)出版社，2006年。作者:胡駿，1984年南航碩士畢業(yè)留校任教，教授，博導(dǎo)，主要從事葉輪機(jī)非定常流基礎(chǔ)理論和應(yīng)用基礎(chǔ)理論方面的研究，獲省部級(jí)科研二等獎(jiǎng)二項(xiàng)，出版專(zhuān)著兩部?！皞€(gè)人實(shí)在是太渺小了，能做的事也極其有限。要想多取得一點(diǎn)成績(jī)，只有踏踏實(shí)實(shí)地干”?ZZIA第三章 軸流式壓氣機(jī)工作原理壓氣機(jī)是航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要部件,其性能的優(yōu)劣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作和性能具有至關(guān)重要的影響。本章為軸流壓氣機(jī)的基本工作原理,將著重講解壓氣機(jī)基元級(jí)及單級(jí)壓氣機(jī)的基本工作特性,介紹基元級(jí)、壓氣機(jī)級(jí)和多級(jí)壓?ZZIA一、軸流壓氣機(jī)組成與氣動(dòng)熱力過(guò)程圖3-1為一發(fā)動(dòng)機(jī)的軸流壓氣機(jī)段縱剖面簡(jiǎn)圖。壓氣機(jī):轉(zhuǎn)子（運(yùn)動(dòng)葉片/工作葉片/動(dòng)葉，旋轉(zhuǎn)部件）+靜子（固定部件）（轉(zhuǎn)軸上8個(gè)輪盤(pán)）（8級(jí)）一個(gè)工作輪 = 1個(gè)輪盤(pán) + 若干工作葉片 圖中壓氣機(jī)靜子由前、中、后機(jī)匣和9排靜子葉片構(gòu)成。最前面的一排葉片稱(chēng)為進(jìn)口導(dǎo)流環(huán)（這些葉片稱(chēng)為進(jìn)口導(dǎo)流葉片）,其作用是改變進(jìn)入壓氣機(jī)第一個(gè)工作輪前氣流的方向。進(jìn)口導(dǎo)流葉片不是壓氣機(jī)中不可缺少的部件,有的發(fā)動(dòng)機(jī)上不裝進(jìn)口導(dǎo)流環(huán),空氣沿發(fā)動(dòng)機(jī)縱軸方向直接進(jìn)入第一個(gè)工作輪。圖中導(dǎo)流環(huán)后共設(shè)置了8排不轉(zhuǎn)動(dòng)的靜子葉片縱軸方向與動(dòng)葉排相互間隔地排列布置。整流葉片固定在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上,每一排整流葉片又稱(chēng)為整流器（環(huán)）。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)工作時(shí),氣流流過(guò)交替排列的工作輪和整流器,最后流出末排整流器,沿縱軸線方向流入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。除最前面第一個(gè)工作輪前的進(jìn)口導(dǎo)流葉片以外,每一排動(dòng)葉片后都緊跟著一排靜葉片,重復(fù)多次。這樣,每一排動(dòng)葉與緊挨其后的一排靜葉就構(gòu)成了壓氣機(jī)的一個(gè)“級(jí)”。 在研究航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的總體工作特性時(shí),通常規(guī)定壓氣機(jī)段的進(jìn)口截面（上游截面）為“1截面”,該段的出口截面（下游截面）記為“2截面”。在具體研究壓氣機(jī)工作時(shí),習(xí)慣上將壓氣機(jī)工作輪的進(jìn)口截面定義為“1截面”,工作輪的出口截面定義為“2截面”（也視為整流器的進(jìn)口■由于多級(jí)軸流壓氣機(jī)是由單級(jí)逐級(jí)軸向結(jié)合而成的,所以氣流在壓氣機(jī)中的增壓是逐級(jí)進(jìn)行的。氣流經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)的壓力（壓強(qiáng)）逐級(jí)提高,氣流密度也逐級(jí)加大。為了通過(guò)一定的空氣質(zhì)量流量,根據(jù)連續(xù)方程在逐級(jí)的氣流縱軸向速度基本不變或變化較小的情況下,在壓氣機(jī)子午面(半徑方向與縱軸向構(gòu)成的度相適應(yīng)?！觥觥鯄簹鈾C(jī)的作用在盡可能低的流阻損失條件下,對(duì)流過(guò)壓氣機(jī)的氣流施加功（加功,給氣體輸入功）,以提高壓氣機(jī)出口氣流的壓力。從發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)角度說(shuō),在一定條件下,流過(guò)壓氣機(jī)的氣流壓強(qiáng)提高得越多,發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功和熱效率也就愈高。當(dāng)然,氣流流動(dòng)能量損失越小,發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率就越高。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率,近幾十年來(lái),壓氣機(jī)的增壓比有了很大提高。20世紀(jì)40年代的早期渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓比不過(guò)在3左右,而目前民用高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的總增壓比已高達(dá)35-40,軍用發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的總增壓比也在20－30之間?！鯙槭裁磯簹鈾C(jī)上要有轉(zhuǎn)子和靜于?它們?yōu)槭裁匆惶媾帕?簡(jiǎn)單地講，壓氣機(jī)中的動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)將機(jī)械功(能量)傳給了流過(guò)壓氣機(jī)的氣流，并將一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闅饬鞯膲毫ι摺６o葉將動(dòng)葉加給氣流的剩余能量繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫ι?，并將氣流?dǎo)引至下一級(jí)動(dòng)葉要求的進(jìn)口方向。所以，壓氣機(jī)的動(dòng)葉的后面總要配置靜葉?！蹩諝饬鬟^(guò)這樣的壓氣機(jī)，壓力為什么會(huì)增高？（后面講此增壓原理） □當(dāng)氣流流過(guò)壓氣機(jī)時(shí)，其狀態(tài)參數(shù)和自身所具有的能量均發(fā)生了變化，應(yīng)該采用哪些參數(shù)來(lái)描述氣流所經(jīng)歷的這樣一種氣動(dòng)熱力過(guò)程？如何評(píng)價(jià)該過(guò)程的完善程度? 圖3-2為一臺(tái)多級(jí)軸流壓氣機(jī)簡(jiǎn)圖。為分析時(shí)方便，規(guī)定壓氣機(jī)進(jìn)口處的截面為1-1截面，出口處為K-K截面，這兩個(gè)截面上的參數(shù)分別以下標(biāo)“l(fā)”和“k”來(lái)表示。壓氣機(jī)的氣動(dòng)熱力過(guò)程可用圖3-3的焓熵圖表示。其中,*表示對(duì)應(yīng)于物理狀態(tài)的滯止?fàn)顟B(tài),下標(biāo)ad表示理想等熵過(guò)程對(duì)應(yīng)的狀態(tài),虛線表示等熵過(guò)氣體流過(guò)壓氣機(jī)后,壓力p1提高到pk,為此壓氣機(jī)消耗了機(jī)械功。如果壓縮過(guò)程是無(wú)損失的等熵過(guò)程,壓氣機(jī)消耗的機(jī)械功最少；反之,流動(dòng)損失越大,熵增也越大,壓氣機(jī)消耗的機(jī)械功也就越多。因此,利用氣流壓力升高的幅度以及實(shí)際消耗的功與等熵功的差別,即可了解氣體流過(guò)壓氣機(jī)的氣動(dòng)熱力過(guò)程及其完善程度。滯止壓強(qiáng)和滯止溫度在工程實(shí)際中易于測(cè)量,使用方便,故在氣動(dòng)熱力計(jì)算和壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)研究中,常采用氣流滯止參數(shù)定義和計(jì)算增壓比、*·由于流阻損失的存在,壓氣機(jī)加給氣體的機(jī)械功并沒(méi)有全部用于增加氣流的壓力。由圖示氣體流經(jīng)壓氣機(jī)的壓縮過(guò)程看,若氣流壓縮過(guò)程等熵,即流動(dòng)損失為零,則氣流總壓由進(jìn)口1截面總壓增大至出口k功和效率等參數(shù)。截面總壓所需的壓縮功為最小,稱(chēng)之為等熵功。這時(shí),壓氣機(jī)加于氣流的功全部用來(lái)增加氣流的總壓。對(duì)實(shí)際過(guò)程即有損失的熵增過(guò)程而言,實(shí)際過(guò)程加功量Lk線段要比 線段長(zhǎng)。壓氣機(jī)的效率定義為:在進(jìn)口滯止溫度及增壓比相同的條件下，壓氣機(jī)的等熵壓縮功與實(shí)際加功量的比，即類(lèi)似地也可根據(jù)轉(zhuǎn)子的增壓比來(lái)定義壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子(動(dòng)葉)的效率:--注意:上面壓氣機(jī)效率的定義和計(jì)算公式既能用于總體上分析全臺(tái)壓氣機(jī)的效率，也能夠用于分析和計(jì)算壓氣機(jī)級(jí)與基元級(jí)的效率。二、軸流壓氣機(jī)的基元級(jí)為了得到較高的熱循環(huán)效率，發(fā)動(dòng)機(jī)要求壓氣機(jī)要有足夠高的增壓比，但軸流壓氣機(jī)的每一級(jí)的增壓能力是有一定限度的。欲得到比較高的增壓比，軸流壓氣機(jī)就必須做成多級(jí)的?！龆嗉?jí)軸流壓氣機(jī)—非常復(fù)雜的機(jī)械由很多排的葉片組成,既有靜止不動(dòng)的葉片排,也有不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片排,如果直接研究這樣一個(gè)壓氣機(jī)內(nèi)部氣體的流動(dòng),難度可想而知。但是,一個(gè)復(fù)雜的事物往往都是由許多簡(jiǎn)單的事物所構(gòu)成的。一個(gè)多級(jí)軸流壓氣機(jī)是由很多單個(gè)的“級(jí)”沿壓氣機(jī)軸線方向疊加起來(lái)的,每級(jí)壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)是類(lèi)似的,其工作的基本原理也是大致相同的。于是,為了研究多級(jí)軸流壓氣機(jī)對(duì)氣流的加功和增壓原理,可以先對(duì)一個(gè)“級(jí)”來(lái)進(jìn)行分析?！鋈绻莆樟藛渭?jí)壓氣機(jī)的增壓原理,那么整個(gè)多級(jí)壓氣機(jī)的增壓原理問(wèn)題就解決了。圖3-4所示為一個(gè)“級(jí)”的示意圖。為了說(shuō)明在級(jí)中氣流參數(shù)的變化,在動(dòng)葉和靜葉的前后各取一個(gè)與回轉(zhuǎn)軸相垂直的截面。習(xí)慣規(guī)定動(dòng)葉前的截面為1一1截面,動(dòng)葉后、靜葉前的截面為2-2截面,靜葉后的截面為3-3截面。這些截面上的氣流參數(shù)分別用下標(biāo)“1”、“2”、“3”表示。假定:壓氣機(jī)級(jí)增壓比不高，或?qū)Χ嗉?jí)軸流壓氣機(jī)的后面級(jí)而言，外徑和內(nèi)徑值沿縱軸向變化不大，因此每個(gè)級(jí)中流線基本都按不同的圓柱面分布。然而，即使這樣的一個(gè)單級(jí)，其中的氣體流動(dòng)也比一般的機(jī)械復(fù)雜。從工作輪的根部到尖部，圓周速度各不相同，氣體在葉片所形成的槽道中流動(dòng)，不同半徑上的流層情況有所不同。共性包含于一切個(gè)性之中！雖然沿葉高不同半徑處的流動(dòng)情況不全相同,但工作原理是大體相仿的。只要研究了某一個(gè)半徑處的氣體增壓原理,即可以了解單級(jí)乃至整個(gè)多級(jí)壓氣機(jī)增壓原理的本質(zhì)了。輪轂比:徑向間隙:軸向間隙:用與壓氣機(jī)同軸的一個(gè)圓柱面對(duì)壓氣機(jī)的一個(gè)級(jí)進(jìn)行剖切,就得到一個(gè)“基元級(jí)”（微元級(jí)）,如圖3-5。每個(gè)基元級(jí)沿葉高的厚度都是很薄的,故每一級(jí)均可看成是由很多基元級(jí)沿徑向疊加而成的,而每個(gè)基元級(jí)的工作原理大體相同。這樣,可以把基元級(jí)的流動(dòng)過(guò)程看做是壓氣機(jī)工作的縮影,以其中的某一個(gè)基元級(jí)為代表,對(duì)壓氣機(jī)的基本工作原理進(jìn)行分析。用一個(gè)與級(jí)同軸的圓柱面與軸流壓氣機(jī)級(jí)相截,得到圓柱面上的兩圈“環(huán)形葉柵”—若干個(gè)形狀相同的葉型彼此以一定距離沿周向均勻排列.基元級(jí)是一個(gè)圓柱面,為便于分析,把圓柱面展開(kāi)成為一個(gè)平面圖3-6。 由圖可見(jiàn),展開(kāi)成為平面的基元級(jí)中包括兩一常排“平面葉柵”,上面的排是動(dòng)葉柵,下面的一排是靜葉柵?！捌矫嫒~柵”被作為研究壓氣機(jī)工作的基本研究單元。圖3-6圓周切向型面多級(jí)軸流的簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化過(guò)程第一步:由多級(jí)壓氣機(jī)到壓氣機(jī)的單（個(gè)）級(jí)簡(jiǎn)化條件——忽略級(jí)與級(jí)之間的相互干擾第二步:由單級(jí)到基元級(jí)簡(jiǎn)化條件——圓柱面流動(dòng)假設(shè)三、基元級(jí)中氣體流動(dòng)特性■1坐標(biāo)系:基元級(jí)包含兩排葉柵，動(dòng)葉柵以圓周速度u旋轉(zhuǎn)工作,靜葉柵固接于機(jī)匣殼體上。分析靜葉柵中氣體流動(dòng)用絕對(duì)坐標(biāo)系便利。研究動(dòng)葉柵中穿行的氣流,必須相對(duì)于動(dòng)葉來(lái)分析氣體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)特性,這時(shí)選用隨動(dòng)葉一起運(yùn)動(dòng)的相對(duì)坐標(biāo)系便利。如圖,c表示觀察者站在靜止坐標(biāo)系上看到的氣流絕對(duì)流速,w表示假如觀察者站在動(dòng)葉上動(dòng)葉的相對(duì)流速）,u表示度/切向速度/周向速度/理力上的剛體牽連運(yùn)動(dòng)速度)。所看到的氣流速度（氣體相對(duì)周向速度相對(duì)動(dòng)葉柵轉(zhuǎn)動(dòng)的圓周速度(線速流速絕對(duì)流速量）2 氣流與葉柵之間的關(guān)系□先分析氣體如何流入動(dòng)葉和靜葉葉柵。以壓氣機(jī)放置在地面上為例,當(dāng)啟動(dòng)工作動(dòng)葉轉(zhuǎn)起來(lái)時(shí),其前面氣流不斷被抽吸進(jìn)來(lái)。地面上人看到流入動(dòng)葉的氣流速度為c1（絕對(duì)）。動(dòng)葉本身是以圓周速度u1旋轉(zhuǎn),若人站在動(dòng)葉上隨葉片一同轉(zhuǎn)動(dòng)(人處于相對(duì)坐標(biāo)系上）,所看到的氣流就不再（遵循矢量合成

或

分解的 或△規(guī)則）絕對(duì)運(yùn)動(dòng)

=相對(duì)運(yùn)動(dòng)

+

牽連運(yùn)動(dòng)

（向則是按相對(duì)速度w1的大小和方向流入動(dòng)葉柵槽道的。因此,設(shè)計(jì)動(dòng)葉柵的安裝方位應(yīng)是大致對(duì)準(zhǔn)相對(duì)流速w1的,而不能對(duì)準(zhǔn)絕對(duì)速度c1。在動(dòng)葉出口處,氣流相對(duì)流速為w,它影響著2其后靜葉柵進(jìn)口的氣流速度。但是，氣流并不是以W2.而是以c2流入靜葉柵的。因此，靜葉柵的設(shè)計(jì)安裝方位應(yīng)是大體對(duì)準(zhǔn)氣流絕對(duì)速度c2的.相對(duì)流速絕對(duì)流速C=W

+

U以絕對(duì)速度C1流向工作輪的氣體微團(tuán),對(duì)工作輪來(lái)說(shuō)是以相對(duì)速度W1流入工作輪葉柵的；經(jīng)過(guò)葉柵通道后,再以相對(duì)速度W2流出。■分析動(dòng)葉中的流動(dòng),必須使用相對(duì)速度W和相對(duì)加速度,對(duì)于靜葉中的流動(dòng)分析則使用絕對(duì)速度C?！鹣鄬?duì)坐標(biāo)系下與絕對(duì)坐標(biāo)系下物理參數(shù)的轉(zhuǎn)換是經(jīng)常遇到的問(wèn)題。○向量的合成或分解用三角形法,聯(lián)系W和C的速度三角形為常用工具?！踉谘芯客ㄟ^(guò)動(dòng)葉和靜葉葉柵的氣流時(shí),要經(jīng)常變換坐標(biāo)系,按不同坐標(biāo)系來(lái)分析問(wèn)題。因此,必須清楚哪些物理量隨坐標(biāo)系而變,哪些物理量又是與坐標(biāo)系的變換無(wú)關(guān)?！穑崃Γ顟B(tài)參數(shù)或稱(chēng)靜參數(shù)(p,ρ,T)表示的是微觀分子熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,與涉及宏觀運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)坐標(biāo)系和相對(duì)坐標(biāo)系變換無(wú)關(guān)。即,不管采用何種坐標(biāo)系,任一點(diǎn)處的氣體靜參數(shù)不受影響?！饻箙?shù)或總參數(shù)(p*,ρ*,T*,h*)與它們與所選用的坐標(biāo)系有關(guān)。比如以滯止焓為例,其物理意義是代表氣流所具有的總能量—靜焓和動(dòng)能之和。而宏觀動(dòng)能是與微團(tuán)運(yùn)動(dòng)速度直接關(guān)聯(lián)的,對(duì)不同坐標(biāo)系其動(dòng)能值大小不同,從而滯止焓也不同。絕對(duì)總焓表達(dá)式:而相對(duì)總焓則為:■（c≠w )所以對(duì)控制體內(nèi)流場(chǎng)中的某一點(diǎn)來(lái)講,相對(duì)不同坐標(biāo)系就會(huì)有不同的氣流總參數(shù)。對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系為 ,對(duì)于相對(duì)坐標(biāo)系□為便于分析計(jì)算基元級(jí)速度三角形中各參數(shù),有必要以標(biāo)量和分量形式來(lái)表達(dá)速度三角形諸參數(shù)之間的關(guān)系。將基元級(jí)中的氣流速度向量w和c分解成縱軸向和圓周向兩個(gè)方向的分速度,分別用腳注a（縱軸向,簡(jiǎn)稱(chēng)軸向）和u（周向,或切向）表示。一般用α表示c與u之間的夾角（絕對(duì)速度進(jìn)氣角）,β表示w與u之間的夾角（相對(duì)速度進(jìn)氣角）。通常把進(jìn)口和出口速度三角形畫(huà)于一起,稱(chēng)為基元級(jí)的速度三角形,如圖3-7。圖3-7■一般對(duì)軸流式來(lái)說(shuō),氣流流過(guò)一個(gè)基元級(jí)時(shí)這時(shí)速度三角形如圖3-8,稱(chēng)為簡(jiǎn)化（化簡(jiǎn),近似）的基元級(jí)速度三角形。,w和c的周向分量變化很大，軸向分速值變化較小，尤其那些級(jí)增壓比不高的亞聲速級(jí)。因此，在進(jìn)口和出口軸向分速差別不大條件下，可近似地認(rèn)=c為:a圖3-8

基元級(jí)速度三角形的簡(jiǎn)化圖對(duì)于簡(jiǎn)化速度三角形,只要確定了其上4個(gè)參數(shù),則基元級(jí)速度三角形即完全確定。一般基元級(jí)葉柵葉片設(shè)計(jì)成進(jìn)口大致對(duì)準(zhǔn)來(lái)流方向,設(shè)計(jì)基元級(jí)葉柵的葉片首先要知道基元級(jí)速度三角形。因此,通常選取這樣4個(gè)與壓氣機(jī)設(shè)計(jì)