壓氣機(jī)與軸流式燃?xì)馔钙郊?jí)數(shù)和效率的比較

壓氣機(jī)與軸流式燃?xì)馔钙郊?jí)數(shù)和效率的比較圖5-28氣流在擴(kuò)壓流道中發(fā)生的脫流現(xiàn)象與壓氣機(jī)相比，為什么軸流式燃?xì)馔钙降募?jí)數(shù)比較少而效率比較高？為了說明這個(gè)問題，首先應(yīng)該對(duì)氣流在壓氣機(jī)的出口擴(kuò)壓器中的流動(dòng)現(xiàn)象作一分析。為了便于分析，可以把壓氣機(jī)的出口擴(kuò)壓器，簡化成為一個(gè)通流面積在流線方向逐漸增大的擴(kuò)壓流道來處理，如圖5-28所示。圖5-28氣流在擴(kuò)壓流道中發(fā)生的脫流現(xiàn)象圖5-29附面層內(nèi)速度的分布情況從流體力學(xué)中已知：由于氣流有粘性，當(dāng)它流過一個(gè)物體時(shí)，就會(huì)在其表面上逐漸形成附面層。在附面層中直接貼在壁面上的氣流質(zhì)點(diǎn)的速度等于零。當(dāng)氣體離開壁面后，氣流質(zhì)點(diǎn)的速度就會(huì)逐漸增大，一直增大到與主流區(qū)的速度w0相差1%的地方為止(如圖5-29所示)，這個(gè)厚度為δ的氣流層通稱為附面層。在氣流作上述流動(dòng)時(shí)，由于附面層中氣流的速度梯度比較大，就會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)大的粘滯摩擦力。因而為了保證附面層中流體質(zhì)點(diǎn)沿著主流的流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，貼近附面層的主流氣層中的氣流質(zhì)點(diǎn)，就必須把動(dòng)能連續(xù)不斷地傳遞給附面層中的氣流質(zhì)點(diǎn)，使它能夠克服粘滯摩擦力而往前運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，原來在主流區(qū)中運(yùn)動(dòng)的氣流質(zhì)點(diǎn)的速度就會(huì)降低下來，而逐漸達(dá)到與附面層的外邊界上的流速相同的程度。這就是說，沿著主流氣流的運(yùn)動(dòng)方向，附面層的厚度是在逐漸增加之中。圖5-29附面層內(nèi)速度的分布情況圖5-30在擴(kuò)壓器的某個(gè)截面上，氣流速度場(chǎng)的分布情況很明顯，附面層的厚薄與氣流的流動(dòng)情況有密切關(guān)系。在透平的動(dòng)、靜葉流道中，由于主氣流的速度c或w圖5-30在擴(kuò)壓器的某個(gè)截面上，氣流速度場(chǎng)的分布情況試驗(yàn)表明：在擴(kuò)壓器中附面層增厚的趨勢(shì)與擴(kuò)壓器的擴(kuò)張角α有密切關(guān)系。α角增大，正意味著沿著氣流的流動(dòng)方向，氣流速度下降得比較迅速，因而附面層容易加厚。圖5-30中給出了當(dāng)擴(kuò)張角α不同時(shí)，在擴(kuò)壓器的某個(gè)截面上氣流速度場(chǎng)的分布情況。由圖中可以看出：隨著擴(kuò)張角α的增大，在y/l較小的近壁部位，氣流的速度w將會(huì)偏離主流氣流的速度w0越加厲害。當(dāng)擴(kuò)張角α大于某個(gè)臨界值α1后，上述現(xiàn)象就會(huì)加劇。那時(shí)附面層中的質(zhì)點(diǎn)就有不能被主流帶著一起向前運(yùn)動(dòng)而完全停滯下來的危險(xiǎn)。由于在擴(kuò)壓流道中，氣流下游方向的壓力要比上游方向高，這樣，在壁面附近就會(huì)出現(xiàn)氣流的反向運(yùn)動(dòng)，致使主流脫離壁面，形成強(qiáng)烈的旋渦(參見圖5-28中的斷面a-a)。當(dāng)渦流現(xiàn)象出現(xiàn)后，能量損失就會(huì)劇增，并且還會(huì)由于氣流的脫離，使主流部分的通流面積變小，主流速度隨之增高。其結(jié)果都會(huì)使擴(kuò)壓器的增壓效果變壞，而無法獲得原先期望的壓力增升值。通常，為了防止出現(xiàn)上述不良情況，應(yīng)把擴(kuò)張角α控制在7°~8°范圍內(nèi)。在任何條件下，α角都不能大于10°~12°。不難想象，以上這種流動(dòng)現(xiàn)象不僅會(huì)在壓氣機(jī)的出口擴(kuò)壓器中出現(xiàn)，而且還會(huì)在壓氣機(jī)的動(dòng)葉葉柵和擴(kuò)壓靜葉柵中發(fā)生。因?yàn)檫@些葉柵流道的通流面積，也像擴(kuò)壓器那樣，是做成沿氣流的流動(dòng)方向在不斷增加之中的。為了說明這個(gè)問題，我們只需分析一下氣流流過壓氣機(jī)葉型時(shí)，空氣壓力沿葉型表面的分布情況就夠了。圖5-31中給出了這種分布關(guān)系。空氣壓力沿葉型表面的分布關(guān)系，一般都是用無量綱量——壓力系數(shù)來表示的，即(5-51)式中p——葉型表面上任何一點(diǎn)的靜壓；p1——葉柵前氣流未被擾動(dòng)時(shí)的靜壓；(1/2)ρ1w21——葉柵前氣流未被擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)能。圖5-31a中形象地給出了壓氣機(jī)葉柵中，葉型表面的壓力分布圖。其上各點(diǎn)的壓力或壓力系數(shù)是用一定比例的垂直線長度來表示的。箭頭的方向則表示出了該點(diǎn)的空氣壓力p，相對(duì)于基準(zhǔn)壓力p1來說，是高還是低的趨勢(shì)。從圖上可以清楚地看到：即使在沖角i≈0的情況下，葉型背弧和內(nèi)弧面上的壓力分布情況也是不一樣的，在背弧面上極大部分地區(qū)都是負(fù)壓區(qū)(即p<p1，或<0)，而且在背弧的前段是一個(gè)壓力不斷下降，而流速不斷增快的減壓加速區(qū)；背弧的后段則是一個(gè)壓力逐漸升高、而流速逐漸減慢的增壓減速區(qū)。顯然，氣流在增壓減速區(qū)中的流動(dòng)情況正好與擴(kuò)壓器中的流動(dòng)情況相似，因而在壓氣機(jī)葉型背弧的出氣邊上，很容易發(fā)生氣流的脫離現(xiàn)象。然而，在葉型的內(nèi)弧面上，壓力的分布情況就不太一樣了。那時(shí)，在內(nèi)弧的前段是一個(gè)區(qū)域較小的負(fù)壓區(qū)，而內(nèi)弧的其他部分則都是正壓區(qū)(即p>p1，或)。當(dāng)然，在內(nèi)弧的前段也存在一個(gè)增壓減速區(qū)，在那兒，氣流也有發(fā)生脫離現(xiàn)象的可能性。但是，沿葉型內(nèi)弧表面流動(dòng)的氣流，由于慣性力的作用，具有一種自然貼向葉型內(nèi)弧表面的傾向，因而在這個(gè)增壓減速區(qū)中，也不至于產(chǎn)生很強(qiáng)烈的氣流脫離現(xiàn)象。a)壓氣機(jī)葉型表面的分布b)不同I值下的分布圖中——i=-0o46’……i=-15o40’—·—·—i=10o02’圖5-31K-1壓氣機(jī)動(dòng)葉葉柵（t/b=0.868)，在各種沖角i的情況下，葉型表面壓力系數(shù)的分布特性1-附面層1-附面層2-氣流脫離圖5-32在壓氣機(jī)葉型背弧上發(fā)生的附面層和氣流的脫離現(xiàn)象試驗(yàn)表明：在壓氣機(jī)葉型表面上發(fā)生的氣流脫離現(xiàn)象，與氣流來流方向的沖角i，以及葉型型線的設(shè)計(jì)有密切關(guān)系。在圖5-31b中給出了在不同的沖角i情況下，于K-1型壓氣機(jī)的動(dòng)葉葉柵表面上，壓力系數(shù)的變化情況。由圖中可以看出：當(dāng)正沖角很大時(shí)，從側(cè)點(diǎn)10開始，在葉型的背弧上將發(fā)生范圍很廣的、壓力梯度變化很陡的增壓減速區(qū)。由于氣流在流經(jīng)背弧表面時(shí)，在慣性力的作用下，本來就存在一種脫離背弧的傾向，所以在正沖角較大的情況下，在葉型的背弧上必然很容易出現(xiàn)強(qiáng)烈的氣流脫離現(xiàn)象。這不但會(huì)導(dǎo)致葉柵中能量損失的劇增，而且還會(huì)使氣流有生產(chǎn)倒流的可能，進(jìn)而為壓氣機(jī)中發(fā)生的喘振現(xiàn)象提供了條件。同時(shí)，從圖5-31b中還可以看出：當(dāng)負(fù)沖角很大時(shí)，從側(cè)點(diǎn)開始，在葉型內(nèi)弧的進(jìn)氣側(cè)，也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)壓力梯度比較陡的增壓減速區(qū)。當(dāng)時(shí)，在該地區(qū)也會(huì)發(fā)生一定程度的氣流脫離現(xiàn)象。但是由于慣性力作用，其脫離程度要比在背弧上產(chǎn)生的脫離現(xiàn)象輕得多。由此可見，當(dāng)氣流流經(jīng)壓氣機(jī)葉柵時(shí)，即使正沖角和負(fù)沖角的絕對(duì)值彼此相同，但在正沖角工況下所產(chǎn)生的流動(dòng)能量損失，必然要比負(fù)沖角工況大得多。圖5-33上給出了在某種壓氣機(jī)的葉柵中，葉型的阻力系數(shù)Cm與氣流沖角i和氣流折角ε之間的變化關(guān)系，可以進(jìn)一步說明這個(gè)問題。當(dāng)然，在壓氣機(jī)葉型表面上發(fā)生的氣流脫離現(xiàn)象，與葉型型線的設(shè)計(jì)有很大關(guān)系，特別是與葉型的彎曲角θ有關(guān)。由圖3-12可知顯然，θ角的加大必然意味著葉柵幾何出口角β2j與幾何入口角β1j的差值越大，也就是說，當(dāng)葉柵的柵距t和寬度Ba一定時(shí)，葉柵出口的截面積A2就要比進(jìn)口的截面積A1大得多。這個(gè)問題很容易從圖5-34中獲得證明。圖5-33壓氣機(jī)葉形的阻力系數(shù)Cm與氣流沖角i和氣流折轉(zhuǎn)角ε之間的關(guān)系圖5-34葉柵進(jìn)出口通流面積的變化關(guān)系由圖5-34中可知既因而，當(dāng)β2j和β1j差值越大時(shí)，A2也就要比A1大得多。顯然，在Ba一定的情況下，這正意味著，與前面討論過的出口擴(kuò)壓器中擴(kuò)張角α相當(dāng)?shù)娜~柵之?dāng)U張角就很大。由此可見，當(dāng)氣流流過θ較大的壓氣葉柵時(shí)，一定比較容易發(fā)生氣流的脫離現(xiàn)象，同時(shí)，還會(huì)使氣流流動(dòng)的能量損失增大。這個(gè)問題也可以從圖5-33中獲得證明。顯然，由第3章關(guān)系式(3-24)中已知：θ≠ε，但是當(dāng)θ角加大時(shí)，ε必然也增大，即阻力系數(shù)Cm將隨之加大。當(dāng)發(fā)生氣流脫離現(xiàn)象后，Cm會(huì)急劇地增高上去。因而為了避免氣流流過壓氣機(jī)葉柵時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的脫離現(xiàn)象，通常，總是把壓氣機(jī)葉型的彎曲角θ限制在45°角以內(nèi)。當(dāng)我們結(jié)合第3章圖3-7b來分析關(guān)系式(3-5)時(shí)，不難進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：隨著壓氣機(jī)葉型彎曲角θ的減小，必然會(huì)導(dǎo)致氣流流經(jīng)動(dòng)葉柵時(shí)Δwu值的減小。這就是說：當(dāng)壓氣機(jī)葉型的θ角受限制時(shí)，也正意味著外界通過工作葉輪和動(dòng)葉柵傳遞給1㎏空氣的壓縮軸功ly必將受到了限制，即壓氣機(jī)級(jí)的壓縮比受到了限制。當(dāng)我們觀察圖5-9所示的透平級(jí)的速度三角形，并分析式(5-7)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)：由