风机与压缩机第10章.docVIP

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，轮盘，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 900, , 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/ p1. 由于出口绝对速度C3与C1差别很小，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