风机与压缩机第10章.doc

第十章轴流式压气机现代航空用燃气轮机中多用多级轴流式压气机。主要由于其效率高(>87%),通风面积小,也可用于大流量工况下运行。其主要结构如图1所示,由导向器,***,工作叶片,转子轴,整流叶片和机壳组成。对于多级轴流压气机,每个级中的流动类似,工作原理相同,所以可以针对一个级进行研究。在每个级中,可以认为外径和内径沿轴向变化很小,可以认为气流是沿圆柱表面上的环形叶栅的流动。环形叶栅展开后,可以看成是平面叶栅。每组圆柱面上的环形叶栅可以认为是一组压气机的基元级。从轮毂至轮缘无数多个基元级组成一个工作机,即压气机的一级叶轮和整流器。第一节基元级速度三角形进口导向器工作轮整流器图10-1轴流式压气机图10-2基元级速度三角形一般多级轴流压气机第一级装有导向器,导向器改变气流进入叶轮的流动方向,产生正预旋式和反预旋式两种。因而使气流角<90,>,>0为正预旋,<0(-与的方向相反时为反预选)。由于气流流经压气机后,压力和密度逐渐增加,由连续方程可知,当叶片高度不变时,轴向分速度降低。如果轴向分速度不变,叶片高度就要减少。实际设计中,叶片高度和轴向分速度都要有所变化。图10-2中,流过工作轮的气流速度的轴向分量和不同,<但在分析过程中可以认为,如图10-2(b)所示。由速度三角形可以得到如下关系: (10-1)以及(10-2) (10-3)当和增加时,使增加,从而减少压气机的级数。但是在一定预旋之下和的增加,带来增加,和增加,使增大,和增加接近声速时,压气机叶栅通道内就会出现激波,它将导致亚音速叶栅的流动损失剧增。因此,,三者受到一定限制。当过高时,采用正预旋使降低声速之下,当然改动也会下降。当达不到要求时,采用负预旋使适当增加。第二节级中的气体压缩过程图10-3基元级的焓熵图图10-3为基元级的焓熵图,1-2I,2—3I’分别表示工作轮与整流器中的等熵压缩过程,而基元级中气体的等熵压缩过程线为1-3I,工作轮中的等熵压缩功为:考虑进口速度时的滞止等熵压缩功为:在整流器中的等熵功为:以及整个基元级的等熵压缩功式中π=p3/,可以认为lad*≈lad。同时故,以及。实际气体压缩过程为伴随流动损失的多变过程;用多变压缩功,和表示:以及:对于多变过程:令为热阻功,代表实际流动过程中流动损失转为热量后对气体的额为加热。用离心式压气机一样可以得到伯努利方程式: (10-4)利用动坐标系,也可以导出相对流动的伯努利方程,由于,叶轮出于相对静止状态,所以此时,就会得到: (10-5)整流器中的伯努利方程为: (10-6)式中和分别为叶轮和整流器中的流动损失,那么压气机基元级中的理论功为: (10-7)式中对于基元级可以认为,故(10-8)压气机的工作级可以看成是无限多的基元级组成的,那么级上的等熵压缩功为: 式中为流过基元级的质量流量,h,t分别表示轮毂至轮缘(10-叶根和叶尖)。在压气机中,由于轴盘摩擦损失较少,实际压缩功为: 压气机所消耗的功率是Nc: 式中m为压气机中的质量流量。轴流压气机叶轮的反作用度与轴流通风机的一样由下式表达:即:当从时: (10-9)增加正预旋气使下降。第三节轴流压气机气动参数沿径向变化轴流压气机的工作级由不同的基元级组成,为此需要研究不同半径的基元级气动参数的变化规律。下面采用径向平衡方程进行研究,径向平衡方程的基本假设为:只研究级间的轴向间隙的流动,即叶轮和整流器叶栅之间的流动;气体的径向分速度为零;同一轴向间隙,同一半径处,气流参数相同,即轴对称的假设;流动为常数;忽略粘性和重力;在上述假设下,作用在轴向间隙流体微团上的作用力如图4所示为:由于径向分速度为零,径向力平衡方程为: 得到(10-10)上式表明由于存在,沿叶高气流的压力必然增大。又根据等熵流动的伯努利方程: 式中下标表示第截面。对上式取导数 由于, (10-11)由于令就得到在等功,等熵条件下的径向平衡方程: (10-12)上式表明只要一个分速度沿径向的变化规律确定以后,另一个分速度的变化规律就可以由(10-12)式决定。常用的变化规律有等环量的分布规律,等反作用度分布规律与通用规律等。下面利用等环量分布规律,说明应用径向平衡方程式(10-12)确定叶片的扭转规律。如果选用沿叶高不变,那么(10-12)式为: (10-13)得到即等环量的分布规律由于那么 同样可以得出,最后可以得出:沿着叶高方向随r的加大,加大,减少,加大,减少。上述等环量的设计方法多用于后面短叶片级的设计。因为在长叶片级中,叶根处和较大,为了限制马赫数,不能过大,这就限制了级的加功量,另一方面叶根处较大的切向速度会使下降,因而效率下降。第四节轴流压气机的叶型和叶栅-平面叶栅的主要参数图5所示为平面叶栅的主要几何参数。(10-这里有图)其中叶型的几