第二篇压气机 第八章 2010
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工程热力学：9第八章 压气机的热力过程
压气机简述
按工作原理及构造分： H2
活塞式 叶轮式 引射式
H1
罗茨式
按压缩气体压力范围：
通风机（＜110 kPa)
鼓风机（110～300 kPa)
压气机（>300 kPa)
8-1 单级活塞式压气机的工作原理 和理论耗功量
单 级 活 塞 式 压 气 机
一、工作原理
p
f－1：进气过程；
p
3
2
g
程中，为避免活塞与气缸塞撞击，也便于安
排进、排气阀，必须留有余隙。
图8-3为具有余隙容积的压气机理论示功图，
4-1：有效进气。
f6
4
1
1-2：压缩过程； 2-3：排气过程；
0 Vc V4-V6 V=V1-V4· V
H2
Vh=V1-V3
图中容积Vc就是余隙容积；
Vh＝V1－V3，是活塞从上死点运动到下死点 时活塞扫过的容积，称为气缸的排量。 H1
P3
1
近等温过程。为此，活塞式压气机都采取冷却措施。
但对于实际压缩过程说，无论采取什么冷却措施，
P1
很难实现等温压缩。
s
图8-2 压缩过程的p-v图和T-s图
二、压气机的理论耗功
p
P2
2T 2n 2s
按热力学的约定，压气机消耗的轴功应为负值，工 程上常令压气机耗功为技术功的负值，即：
P1
wC [w12 ( p2v2 p1v1)] wt
用多级压缩；
1 p1 而当增压比一定时，余隙比Vc/Vh加
V
大，也将使容积效率ηV降低。 显然，当π或Vc/Vh增大到某一值时，
可能使ηV＝0。
<2> 理论耗功 余隙容积为 Ve V3
发动机原理(第二章压气机)
动叶增压原理
伯努利方程(机械能守恒)
相对坐标系 dp0 W2 W1 叶型弯曲形成扩张 通道，相对速度减 小，压力提高
1
2
dp
W22 W12 2
W fr 0
动叶增压原理
相对坐标系
1
2
dp
W22 W12 2
Wu
W fr 0
dp V22 V12 2
离心式压气机
• 气体靠离心增压 • 气体随工作轮作圆周 运动时，气体微团受 到离心惯性力的作用， 而且气体微团所在半 径越大，所受离心惯 性力就越大，工作叶 轮外径处气流的压强 比内径处压强高，气 体流经工作轮过程中 压力逐步升高
轴流式压气机
轴向进气，轴向排气 优点：流通能力强、径向尺寸小、效率高 缺点：结构复杂、级增压能力小、轴向尺寸长、零件多 适合：高推力级、高速飞行飞机发动机
(1)气流在静子叶栅中的流动
气体作绝能流动 伯努利方程 2 2 3 V V dp 3 2 W fs 0 2 2 dp0 V3 V2 对于亚音气流， 减速必须经过 扩张形通道
静子叶栅
利用叶型偏向轴线
弯曲，使叶片之间 形成扩张形气流通 道；
在静子叶片中的增
压原理：减速增压
落后角
2k 2
2k 几何出口角 2 出口气流角
压气机实际压缩功
Wk CpT1*[( k )
1 *
* 1] / k
压缩功与进口气流总温、增压比
成正比，与效率成反比
(2)气流在动叶叶栅中的流动
速度三角形 进口：
第八章 压气机的热力过程
的耗功之比，
C ,T
理想 1 wC 实际
wC ,T
可以用来判断活塞式压气机性能的优劣。
8-2 余隙容积的影响
1、余隙容积 Vc (clearance volume)
■定义
活塞式压气机中，因为各种需要，当活塞运
动到上死点时，活塞顶部和气缸之间仍留有一定
的空隙，称为余隙容积。
■工作过程
由于余隙容积的存在，排气终了时仍然有残 留的高压气体，必须等残留气体膨胀到进气压力
例8-1：活塞式压气机活塞往复一次生产0.5kg，压力为 0.35MPa的压缩空气。空气进入压气机时的温度为17℃， 压力为0.098MPa，若压缩过程为 n 1.35 的可逆多变过 程，余隙容积比为0.05，试求压缩过程中气缸内空气的质 量。（余隙容积） 解：排气终了时的状态3与压缩终了时的状态2相同。
PC , s qm wC ,s qm h qm c p (T2s T1 ) 252.97kW
（2）实际功率
PC ,s / C ,s 316.21kW PC
（3）多耗功率
PC , s 63.24kW PC PC
（4）作功能力损失
T2 T1
中冷却到吸气温度，再进入下一级气缸继续压
缩。
e1：低压气缸吸气；
12：低压气缸压缩； 22′ ：冷却器中定压放热， 冷却到吸气温度， T2 T1 ； 2′3 ：高压气缸压缩； 3g：高压气缸排气。
2、理论耗功
wC ,多 wC , L wC , H Se12 fe S f 23 gf
p3 p2 0.35MPa T3 T2 T1 ( p2 / p1 )( n 1)/ n 403.4K
工程传热学-第八章 压气机的压气过程讲解
p2 p1 p3 0.1106 1.6106 0.4106 Pa
v
V 1 3
V h
p2 p1
1
n
1
1
1 0.05 (41.25
1)
0.898
两级：(ws )c
2
n n1
RgT1
1
p2 p1
525 290 0.8
584K
作业
8-1 8-4 8-5
8-2
8-3
8-6
8-7
p1 p4 p2 p3 p1(V1 V4 ) p1Ve mRgT1
(Ws )c
n
n
1
mRgT1
1
p2 p1
n1 n
(ws )c
n n1
RgT1
1
p2 p1
n1 n
设单级活塞压气机中压缩过程与膨胀过程的多 变指数n相同。
12 pdv 43 pdv
(Ws )c (m1 m3 )(12 pdv p1v1 p2v2 )
(ws )c 12 pdv ( p2v2 p1v1 ) 12 pdv 12 d ( pv)
2
1
12 pdV p2 (V3 V2 ) 34 pdV p1(V1 V4 )
p1 p4 p2 p3 v2 v3 v1 v4
m1 m2
m3 m4
(Ws )c m1(12 pdv p1v1 p2v2 )
离心压气机理论-第一部分-2010
图1 单级离心压气机剖面图
离心压气机基本理论
离心压气机叶轮可分为带叶冠叶轮和不带叶冠叶轮两种两种， 前者又叫闭式叶轮，后者又叫开式叶轮。图2和图3给出了这两 种叶轮形式。
图2 不带叶冠叶轮
图3 带叶冠叶轮
离心压气机基本理论
燃气轮机和涡轮增压器由于转速很高，通常使用开式叶轮。因 为增加叶冠会增加叶轮质量，使转子惯性增加，从而导致整机 性能恶化。
5级轴流+1级离心 5.30
3级轴流+1级离心 5.73
1级离心
1.60
2级离心
3.2-3.4
4级轴流+1级离心 4.2
2级离心
4.0
总增压比 17.00 14.72 8.0-8.30 13.14 14.38 15.00
为什么采用离心压气机？ 因为单级压比大，由于流量小，可以保证出口端压气机末级叶 片高度在合适的范围内，不会过小。
离心压气机概述
涡轮增压器是径流式叶轮机械应用的最为广泛的一个领域。 如果说燃气轮机是改进叶轮机械设计和制造技术的驱动力，那 么涡轮增压技术和涡轮增压器的广泛使用为径流式叶轮机械的 发展提供了广阔的市场。
废气涡轮增压的设想首先由瑞士人波希在1905年提出，当时获 得了德国和美国的专利。 1911年波希在单缸机上首次完成涡轮增压的台架试验。 1925年，波希又提出了脉冲增压的设想。 到1940年代，涡轮增压在船用和陆用大型发动机上得到了大量 推广使用。 直到1950年，涡轮增压器才在大型柴油机上得到广泛使用。
16 PWC
14
Байду номын сангаас
PWC
12
10
PWC&Boeing
PWC209
&319
离心压气机基本理论
离心压气机叶轮可分为带叶冠叶轮和不带叶冠叶轮两种两种， 前者又叫闭式叶轮，后者又叫开式叶轮。图2和图3给出了这两 种叶轮形式。
图2 不带叶冠叶轮
图3 带叶冠叶轮
离心压气机基本理论
燃气轮机和涡轮增压器由于转速很高，通常使用开式叶轮。因 为增加叶冠会增加叶轮质量，使转子惯性增加，从而导致整机 性能恶化。
5级轴流+1级离心 5.30
3级轴流+1级离心 5.73
1级离心
1.60
2级离心
3.2-3.4
4级轴流+1级离心 4.2
2级离心
4.0
总增压比 17.00 14.72 8.0-8.30 13.14 14.38 15.00
为什么采用离心压气机？ 因为单级压比大，由于流量小，可以保证出口端压气机末级叶 片高度在合适的范围内，不会过小。
离心压气机概述
涡轮增压器是径流式叶轮机械应用的最为广泛的一个领域。 如果说燃气轮机是改进叶轮机械设计和制造技术的驱动力，那 么涡轮增压技术和涡轮增压器的广泛使用为径流式叶轮机械的 发展提供了广阔的市场。
废气涡轮增压的设想首先由瑞士人波希在1905年提出，当时获 得了德国和美国的专利。 1911年波希在单缸机上首次完成涡轮增压的台架试验。 1925年，波希又提出了脉冲增压的设想。 到1940年代，涡轮增压在船用和陆用大型发动机上得到了大量 推广使用。 直到1950年，涡轮增压器才在大型柴油机上得到广泛使用。
16 PWC
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Байду номын сангаас
PWC
12
10
PWC&Boeing
PWC209
&319
航空发动机压气机
15
鼓盘式转子
16
2.4 鼓盘式转子
鼓盘式转子兼有鼓式转子的抗弯刚性和盘式转子的承受 大离心载荷的能力，因而得到广泛应用．特别是在现代涡扇 发动机的高压压气机上。鼓盘式转子的结构方案繁多，按其 级间联接的特点，可分为不可拆卸的转子、可拆卸的转子和 部分不可拆卸部分可拆卸的混合式转子三大类。
17
2.4 鼓盘式转子
1．不可拆却的鼓盘式转子 不可拆卸的鼓盘式转子的级间联接常用圆柱面紧度配合加径
向销钉联接和焊接两种方法．这两种方法在完成装配后都不可能 再进行无损分解。在先进的F119发动机上是直接整体加上成型。
WP6．WP7、WP8，WPl 3发动机的压气机都采用了圆柱面紧 度配合加径向销钉联接的鼓盘式转子。这种结构利用热胀冷缩原 理使圆柱面配合后产生紧度，圆柱而加径向销钉保证转子级间联 接后的定心，靠径向销钉和配合而摩擦力传递扭距。
8
2.2 轴流式压气机
9
2.3 轴流式压气机转子的基本结构
压气机转子的基本型式有三种： 鼓式转子、盘式转子、鼓盘式转子
10
2.3 轴流式压气机转子的基本结构
鼓式转子的基本构件是一圆柱形、橄榄形或圆锥形鼓 简(视气流通道形式而定)，借安装边和螺栓与前、后半轴 联接。在鼓筒外表面加工有环槽或纵槽，用来安装转于叶 片。作用在转子上的主要负荷(叶片和鼓筒的离心力、弯矩 和扭矩)由鼓简承受和传递。鼓式转子的优点是抗弯刚性好、 结构简单，但是承受离心载荷能力差，故只能在圆周速度 较低(不大于180-200 m／s)的条件下使用。如早期的压气机、 现代大流量比涡扇发动机的低压转子上。民用期贝发动机 低压压气机转子为鼓式转子．
7
2.2轴流式压气机
空气在轴流式压气机中的流动方向大致平行于工作 轮轴．所以称为轴流式压气机：它的流动特点使其在结 构上容易组织多级压缩，以每一级都较低的增压压力比 获得较高的压气机总增压压力比。一般每级的增压压力 比在1．15～1．35之间，使得空气流经每级叶片通道时 无需急剧地改变方向，这样就减少了流动损失，因而压 气机效率高。特别是大流量时，轴流式压气机较离心式 压气机更容易获得较高的压气机效率，一般轴流式压气 机效率可达87％以上，而离心式压气机效率最高在84 ％—85％、与离心式压气机相比，多级轴流式压气机还 具有大流量，高效率、小迎风面积等优点．所以现代航 空用燃气涡轮发动机中多采用多级轴流式压气机。
鼓盘式转子
16
2.4 鼓盘式转子
鼓盘式转子兼有鼓式转子的抗弯刚性和盘式转子的承受 大离心载荷的能力，因而得到广泛应用．特别是在现代涡扇 发动机的高压压气机上。鼓盘式转子的结构方案繁多，按其 级间联接的特点，可分为不可拆卸的转子、可拆卸的转子和 部分不可拆卸部分可拆卸的混合式转子三大类。
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2.4 鼓盘式转子
1．不可拆却的鼓盘式转子 不可拆卸的鼓盘式转子的级间联接常用圆柱面紧度配合加径
向销钉联接和焊接两种方法．这两种方法在完成装配后都不可能 再进行无损分解。在先进的F119发动机上是直接整体加上成型。
WP6．WP7、WP8，WPl 3发动机的压气机都采用了圆柱面紧 度配合加径向销钉联接的鼓盘式转子。这种结构利用热胀冷缩原 理使圆柱面配合后产生紧度，圆柱而加径向销钉保证转子级间联 接后的定心，靠径向销钉和配合而摩擦力传递扭距。
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2.2 轴流式压气机
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2.3 轴流式压气机转子的基本结构
压气机转子的基本型式有三种： 鼓式转子、盘式转子、鼓盘式转子
10
2.3 轴流式压气机转子的基本结构
鼓式转子的基本构件是一圆柱形、橄榄形或圆锥形鼓 简(视气流通道形式而定)，借安装边和螺栓与前、后半轴 联接。在鼓筒外表面加工有环槽或纵槽，用来安装转于叶 片。作用在转子上的主要负荷(叶片和鼓筒的离心力、弯矩 和扭矩)由鼓简承受和传递。鼓式转子的优点是抗弯刚性好、 结构简单，但是承受离心载荷能力差，故只能在圆周速度 较低(不大于180-200 m／s)的条件下使用。如早期的压气机、 现代大流量比涡扇发动机的低压转子上。民用期贝发动机 低压压气机转子为鼓式转子．
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2.2轴流式压气机
空气在轴流式压气机中的流动方向大致平行于工作 轮轴．所以称为轴流式压气机：它的流动特点使其在结 构上容易组织多级压缩，以每一级都较低的增压压力比 获得较高的压气机总增压压力比。一般每级的增压压力 比在1．15～1．35之间，使得空气流经每级叶片通道时 无需急剧地改变方向，这样就减少了流动损失，因而压 气机效率高。特别是大流量时，轴流式压气机较离心式 压气机更容易获得较高的压气机效率，一般轴流式压气 机效率可达87％以上，而离心式压气机效率最高在84 ％—85％、与离心式压气机相比，多级轴流式压气机还 具有大流量，高效率、小迎风面积等优点．所以现代航 空用燃气涡轮发动机中多采用多级轴流式压气机。
压气机的热力过程
Vc Vh
称为压缩机的余隙比
p2 p1
称为压缩机的增压比
1
容积效率： V
1 (
n
1)
增大时，容积效率降低；提高时，容积效率也降低。
p P2 ” P2 ’ p2
3、增压比对容积效率的影响
3”(2”)
3’ 3
2’
2
1 4’ V Vh
pb Vc
4
加到某一数值时， V= 0 ， v = 0，活塞徒劳往返，无 压缩气体排出，同时，压缩 终温 t2 ，为保证润滑，要 求 t2 < 160°C， 7, = 2 - 6 。
p3 p2
p3 p1
耗功最小，则两级增压比应相同，这个增压比称为最佳增压比。 m级压缩，最佳增压比为
p2 p1 p3 p2 pm p m 1 p m 1 pm p m 1 p1
m
采用最佳增压比，且有效冷却，则各级耗功相同，每一级均为
n 1 p2 n n p 1 v 1 1 ( ) p 1 v1 n 1 p1 n 1
第八章 压气机的热力过程
第一节 第二节 单级活塞式压气机的工作原理 单级活塞式压气机所消耗的机械功
和容积效率
第三节 双级活塞式压气机的工作过程
第四节
叶轮式压气机
工作原理：活塞式、叶轮式和引射式 出口压力：压气机、鼓风机、通风机
第一节
一、结构简图
单级活塞式压气机的工作原理
空气进口
排入空气瓶中
主要部件：1、活塞
叶片 扩压管
叶轮式压气机： 转速高；连续吸、排气，运转平稳；排气 量大 。没有余隙影响；但每级压比不高。由于排量大，运 转快，难冷却，可作绝热压缩考虑。
工程热力学第8章
32
33
压气机：是生产压缩气体的设备。它不是
动力机，而是用消耗机械能来得到压缩气体
的一种工作机。
热力学分析的主要任务：计算定量气体
自初态压缩到预定终压时，压气机所耗的轴
功，并探讨省工的途径。
3
压气机的分类：
按工作原理和构造：
活塞式压气机：用于压力高，排气量小。 叶轮式压气机：用于压力低，排气量大。 特殊引射式压缩器
3
2 1
V1 V
4
V3 p2 p3
V
n p14V4 1 p n 1
p p4 1
p32 p
n 1 n
p1 p4 p1V1 m1 RT1
20
余隙容积VC对理论压气功的影响
p2 n Wt p1 (V1 V4 ) 1 p1 n 1
1、升压比p 一定，越大，容积效率越低； 2、其它条件不变， 一定，升压比p越大，容积效率越低； 采用多级压缩获得高压；
19
余隙容积VC对理论压气轴功的影响
功＝面积12341
p VC
5 6
＝面积12561－面积43564
设12和43两过程n相同
n 1 n p2 n Wt p1V1 1 p1 n 1
低压缸 冷却水 进气口
22
p1
多级压缩的目的：
↘ n） ↘ p→↗ v
省功（
一、多级活塞式压气机的工作过程
（两级压缩为例）
储气罐
3
高压缸
p
pv=const
3″
2′
低压缸
冷却水
p3 3′ 3 4
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叶 片 机 原 理
第二篇 压气机
授课教师：陈焕龙
哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院 推进理论与技术研究所
1
第八章 离心式压气机
概述
离心式压气机主要部件及作用
离心式压气机气体流动特点
2
航空发动机
新型离心压气机特性
航空发动机---容积流量较小的高压级采用离心压气机
3
涡喷发动机初 期
20世纪40年代
潜流现象
鼓风作用
16
Lr的估算方法
根据试验研究结果，工程计算中采用 Lr aU 2
2
a ---由试验确定系数，目前常用压气机 a 0.03 ~ 0.05
轴向进气条件下 Lu U 2 C2u U1 C1u Lu U 2 C2u U 2
2
Le ( a)U 2
工作轮匀转速 ，离心惯性力在流动方向投影
dA 2 m U2 r A dl r sin 2
根据力的平衡
dp dA dW dA 2 p dp A dA pA p dA Wsin A dl A dl r sin 0 2 2 dt 2
17
8.4超声速离心式压气机
由跨声速导风轮 + 高速高负荷工作轮 + 超声速扩压器组成
压气机增压比，并保持较高的效率 提高发动机推重比
跨声速导风轮 进口相对Ma从根顶，若在某半径处起速度超声速
早期的高增压比 离心式压气机 20世纪70年代后高增 压比离心式压气机
叶尖Maw11
叶尖 Maw1>1
b2
2
b2
2
为避免流动分离 3 2 20
14
气体在出气管中的流动
出气管与燃烧室相连接，作用之一是将压缩气体导入燃烧室
出气管作用之二是气流速度，气流压力 出气管出口气流速度100m/s~120m/s
为减少损失，出气管转弯处有导流叶片
从叶片扩压器出口到出 气管出口分两个区域
8
离心式压气机增压原理 离心力做功占主导地位
假设气流是定常、周向均匀、忽略摩擦力及重力 沿流动方向压力 p dp A dA pA p
dp dA Wsin 2
流线与压气 机轴线夹角
dA dW dW ma A a dl 流体微团加速度 ，惯性力 2 dt dt
跨声速导风轮
跨声速导风轮的设计采用跨声速轴流式压气机的设计经验 串列叶轮
•导风轮与叶轮分开 •按照先进跨声速轴流压气 机转子设计方法设计导风轮
整体普通叶轮
•导风轮与叶轮连在一起 •导风轮进口顶部采用跨声 速轴流压气机设计技术
18
高速高负荷工作轮
高速高负荷工作轮的研制从以下几方面展开： 叶轮负荷分布
C2u
从中心向工作轮外缘的 径向均匀流动Wr
Wr>Wu
合成平均W2方向与 径向存在落后角
功率系数 = C2u/U2
叶片数Z 10 0.82 14 0.87
C2u<U2
16 0.89 19 0.945
W2 、2 、C2u 、 C2 代 表 Z 时 这 些 参数的极限值
11 U2= C2u
超声速扩压器 20世纪60年代末管式扩压器 气流转弯为轴向 喇叭形下游扩散段
整体环形 金属板
中心线与叶轮出 口圆周近于相切
均匀切向 前段：圆柱形直孔 后段：带扩张角锥形孔 孔
若切向孔相交 叶轮外径与管式扩压器内径形成缝隙/无叶扩压器，利 于降低扩压器进口速度 若圆柱孔与环形金属板内圆柱面相交 锐边前缘
叶片组成扩压流道 轴向扩压器
b2
b2
2 2
环形缝隙
12
气体在环形缝隙中的流动
对微团用动量矩定理
b2 2 b2 2
叶片组成 扩压流道
C2u r2 C 2u r 2 Cu r r , Cu
径向分速度由连续方程得到
m 2 r 2 b2 C 2r 2 2 r2 b2 C2r 2 2 rb C r
受逆压梯度下附面层 发展和分离的限制小 首先达到涡喷发动机 对压比、效率的要求
2 2 2 W1 C1 U1 C1 r 2
离心式：气体径向运动 参数变化 增压
导风轮
轴向进气 C1 const C C const r U1 r tan1 1 1 U1 r r
4
8.1离心式压气机主要部件及其作用
离心式压气机主要由4部件组成： 进气装臵（a-a和1-1之间）：把气体
以一定方向或分布规律引入工作轮，为减 少损失，略有加速减压
工作轮（1-1和2-2之间）：工作轮加
入轮缘功，气体流经它在离心惯性力作 用下作向外的径向运动，增压且加速
扩压器（2-2和3-3之间）：气体仍有
Wr<Wu 倒流
Wr>Wu
C1a=Wr=(0.25~0.35)U2
气体在扩压器中的流动
扩压器的作用
工作轮出口MaC2=1.1-1.2 扩压器将动能转变为压力升高，进一步气体压力
扩压器的组成
2-2截面---2-2截面 环形缝隙/无叶扩压器 2-2截面---3-3截面 2-2截面---3-3截面 安装叶片，叶片间为的流动模型
目前计算方法一般建立在位流理论基础上，没有考虑附面层增长对流动 分离影响 径向速度剖面 主流
20世纪60年代提出射流-尾迹模型，低速情况下得 到实验证实 射流-尾迹模型---气流在导风轮叶片吸力面分离后 形成近似为等Ma射流区，然后冲向工作轮叶片压力 面流出，即分离点后叶轮内部流动包括射流区和相 对静止尾迹区，后者充满了由流动中各种损失产生 的大量低能流体，在哥氏力影响下两区互不混合， 其分界线在流动中保持相对稳定
动坐标系统中不考虑摩擦时 的机械能形式的能量方程式
2 2 dp U2 U1 W22 W12 2 Lf 1 2 2
动坐标系统中考虑摩擦时的 机械能形式的能量方程式
10
功率系数/ 滑动因子
=
在工作轮通道中，气 流相对速度W沿通道 宽度不是均匀分布
+
工作轮中气流微团因惯 性产生的与U相反的旋转 运动，环流速度Wu
前弯叶轮气流出口绝对速度比后弯叶轮高
前弯叶轮流道短但弯度大、扩张角大，易分离 前弯叶轮流道出口速度更加不均匀 目前广泛采用的是径向叶轮和后弯叶轮
20
超声速扩压器
早期C*=4.0 目前C*=6.0 研制C*>12.0 离心压气机的级增压比增长很快
C*>3.0Mac2>1.0 C*=10.0Mac2>1.4
截面3-3---3-3 截面3-3---K-K
为减少流动损 失，为相等截 面或稍微收敛
增压在此之间 完成
15
8.3离心压气机流动损失和效率
流动损失
着重探讨流过工作轮的损失 有效功Le：在工作轮轴上所需的功 圆盘摩擦损失Lr：工作轮转动时克服摩擦和其他损失所需功
Le=Lu+Lr
Lr的意义
Lr ---工作轮旋转时，由于气体粘性，包围在叶轮四周及流道内的气体与机 壳壁面摩擦产生，包括以下3项：
成功应用于活塞 发动机增压器
离心压气机
迎风面积大 效率低 流量小
轴流压气 机
在增压比和流量较小时，燃气涡轮发动机用离 心式压气机比用轴流式压气机合适
考虑三维流动特点 的管式超声扩压器
20世纪60年代
单级 C 6 ~ 8
1~2级轴流压气机/风扇 + 单级离心压气机 小型涡轮轴发动机 小型涡扇发动机
2
效率
离心式压气机效率的定义与轴流式压气机效率定义相同
L i ,C Le
* C
*
等熵压缩过程所需功 / 实际压缩过程所需功
* kk 1 pC * * Li ,C C p T 1 1 * p a
p* 为预旋导流片前气流总压 a p* 为出气管出口处气流总压 C
较高动能，先经过无叶片环形空间即无 叶扩压器（2-2和2-2之间）增压减速， 再在叶片扩压器（2-2和3-3之间，类似 轴流压气机静子）中减速增压
结构示意图
集气管（3-3和K-K之间）：进一步
减速增压并引气体入燃烧室
气流参数沿流程变化
5
8.2离心式压气机气体流动特点
进气装臵中的气体流动
进气装臵由 预旋片 组成 分气盆
预旋片
预旋片的作用是使工作轮进口有一 定的切向速度C1u的分布 分气盆的作用是将经过预旋片的气 体分为数层，以便将气体较均匀地 充满工作轮叶片通道进口 为减少流动损失，进气装臵中的流 道应稍有收敛，使气体速度略增
双面进气的离心压气机 分气盆
6
工作轮中的气体流动
轴流式与离心式压气机增压原理的不同 轴流式：动能 压力能 增压
D D 2 (0.05 ~ 0.15) 航空发动机离心压气机缝隙部分很小 2 D2 2
气体在叶片扩压器中的流动
叶片采用圆弧弯成，沿圆周均匀分布 叶片之间构成扩压流道 3 2 工作原理与轴流式压气机整流器一 样，气流速度，压力 同样内、外径之下，扩压能力大于 无叶扩压器
19
尾迹
后弯叶轮的新发展
优点是当压气机沿等转速线流量减少时，输入功增加，工作稳定性提高， 提供了控制叶轮负荷分布的手段，并降低扩压器进口Ma，使其可适应较大 攻角变化范围，有利于改善非设计点性能 缺点是与径向叶轮相比，为达到相同压比需要较高的U，同时还增加了叶 片弯曲应力，叶片应力高
工作轮叶片的三种形式
叶轮侧表面所带动的与叶轮一起旋转的气体与机壳表面摩擦 叶片两侧压力不同，气体沿着叶轮与机 壳间轴向间隙从一个流道潜流到相邻流道， 其方向与叶轮旋转方向相反
第二篇 压气机
授课教师：陈焕龙
哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院 推进理论与技术研究所
1
第八章 离心式压气机
概述
离心式压气机主要部件及作用
离心式压气机气体流动特点
2
航空发动机
新型离心压气机特性
航空发动机---容积流量较小的高压级采用离心压气机
3
涡喷发动机初 期
20世纪40年代
潜流现象
鼓风作用
16
Lr的估算方法
根据试验研究结果，工程计算中采用 Lr aU 2
2
a ---由试验确定系数，目前常用压气机 a 0.03 ~ 0.05
轴向进气条件下 Lu U 2 C2u U1 C1u Lu U 2 C2u U 2
2
Le ( a)U 2
工作轮匀转速 ，离心惯性力在流动方向投影
dA 2 m U2 r A dl r sin 2
根据力的平衡
dp dA dW dA 2 p dp A dA pA p dA Wsin A dl A dl r sin 0 2 2 dt 2
17
8.4超声速离心式压气机
由跨声速导风轮 + 高速高负荷工作轮 + 超声速扩压器组成
压气机增压比，并保持较高的效率 提高发动机推重比
跨声速导风轮 进口相对Ma从根顶，若在某半径处起速度超声速
早期的高增压比 离心式压气机 20世纪70年代后高增 压比离心式压气机
叶尖Maw11
叶尖 Maw1>1
b2
2
b2
2
为避免流动分离 3 2 20
14
气体在出气管中的流动
出气管与燃烧室相连接，作用之一是将压缩气体导入燃烧室
出气管作用之二是气流速度，气流压力 出气管出口气流速度100m/s~120m/s
为减少损失，出气管转弯处有导流叶片
从叶片扩压器出口到出 气管出口分两个区域
8
离心式压气机增压原理 离心力做功占主导地位
假设气流是定常、周向均匀、忽略摩擦力及重力 沿流动方向压力 p dp A dA pA p
dp dA Wsin 2
流线与压气 机轴线夹角
dA dW dW ma A a dl 流体微团加速度 ，惯性力 2 dt dt
跨声速导风轮
跨声速导风轮的设计采用跨声速轴流式压气机的设计经验 串列叶轮
•导风轮与叶轮分开 •按照先进跨声速轴流压气 机转子设计方法设计导风轮
整体普通叶轮
•导风轮与叶轮连在一起 •导风轮进口顶部采用跨声 速轴流压气机设计技术
18
高速高负荷工作轮
高速高负荷工作轮的研制从以下几方面展开： 叶轮负荷分布
C2u
从中心向工作轮外缘的 径向均匀流动Wr
Wr>Wu
合成平均W2方向与 径向存在落后角
功率系数 = C2u/U2
叶片数Z 10 0.82 14 0.87
C2u<U2
16 0.89 19 0.945
W2 、2 、C2u 、 C2 代 表 Z 时 这 些 参数的极限值
11 U2= C2u
超声速扩压器 20世纪60年代末管式扩压器 气流转弯为轴向 喇叭形下游扩散段
整体环形 金属板
中心线与叶轮出 口圆周近于相切
均匀切向 前段：圆柱形直孔 后段：带扩张角锥形孔 孔
若切向孔相交 叶轮外径与管式扩压器内径形成缝隙/无叶扩压器，利 于降低扩压器进口速度 若圆柱孔与环形金属板内圆柱面相交 锐边前缘
叶片组成扩压流道 轴向扩压器
b2
b2
2 2
环形缝隙
12
气体在环形缝隙中的流动
对微团用动量矩定理
b2 2 b2 2
叶片组成 扩压流道
C2u r2 C 2u r 2 Cu r r , Cu
径向分速度由连续方程得到
m 2 r 2 b2 C 2r 2 2 r2 b2 C2r 2 2 rb C r
受逆压梯度下附面层 发展和分离的限制小 首先达到涡喷发动机 对压比、效率的要求
2 2 2 W1 C1 U1 C1 r 2
离心式：气体径向运动 参数变化 增压
导风轮
轴向进气 C1 const C C const r U1 r tan1 1 1 U1 r r
4
8.1离心式压气机主要部件及其作用
离心式压气机主要由4部件组成： 进气装臵（a-a和1-1之间）：把气体
以一定方向或分布规律引入工作轮，为减 少损失，略有加速减压
工作轮（1-1和2-2之间）：工作轮加
入轮缘功，气体流经它在离心惯性力作 用下作向外的径向运动，增压且加速
扩压器（2-2和3-3之间）：气体仍有
Wr<Wu 倒流
Wr>Wu
C1a=Wr=(0.25~0.35)U2
气体在扩压器中的流动
扩压器的作用
工作轮出口MaC2=1.1-1.2 扩压器将动能转变为压力升高，进一步气体压力
扩压器的组成
2-2截面---2-2截面 环形缝隙/无叶扩压器 2-2截面---3-3截面 2-2截面---3-3截面 安装叶片，叶片间为的流动模型
目前计算方法一般建立在位流理论基础上，没有考虑附面层增长对流动 分离影响 径向速度剖面 主流
20世纪60年代提出射流-尾迹模型，低速情况下得 到实验证实 射流-尾迹模型---气流在导风轮叶片吸力面分离后 形成近似为等Ma射流区，然后冲向工作轮叶片压力 面流出，即分离点后叶轮内部流动包括射流区和相 对静止尾迹区，后者充满了由流动中各种损失产生 的大量低能流体，在哥氏力影响下两区互不混合， 其分界线在流动中保持相对稳定
动坐标系统中不考虑摩擦时 的机械能形式的能量方程式
2 2 dp U2 U1 W22 W12 2 Lf 1 2 2
动坐标系统中考虑摩擦时的 机械能形式的能量方程式
10
功率系数/ 滑动因子
=
在工作轮通道中，气 流相对速度W沿通道 宽度不是均匀分布
+
工作轮中气流微团因惯 性产生的与U相反的旋转 运动，环流速度Wu
前弯叶轮气流出口绝对速度比后弯叶轮高
前弯叶轮流道短但弯度大、扩张角大，易分离 前弯叶轮流道出口速度更加不均匀 目前广泛采用的是径向叶轮和后弯叶轮
20
超声速扩压器
早期C*=4.0 目前C*=6.0 研制C*>12.0 离心压气机的级增压比增长很快
C*>3.0Mac2>1.0 C*=10.0Mac2>1.4
截面3-3---3-3 截面3-3---K-K
为减少流动损 失，为相等截 面或稍微收敛
增压在此之间 完成
15
8.3离心压气机流动损失和效率
流动损失
着重探讨流过工作轮的损失 有效功Le：在工作轮轴上所需的功 圆盘摩擦损失Lr：工作轮转动时克服摩擦和其他损失所需功
Le=Lu+Lr
Lr的意义
Lr ---工作轮旋转时，由于气体粘性，包围在叶轮四周及流道内的气体与机 壳壁面摩擦产生，包括以下3项：
成功应用于活塞 发动机增压器
离心压气机
迎风面积大 效率低 流量小
轴流压气 机
在增压比和流量较小时，燃气涡轮发动机用离 心式压气机比用轴流式压气机合适
考虑三维流动特点 的管式超声扩压器
20世纪60年代
单级 C 6 ~ 8
1~2级轴流压气机/风扇 + 单级离心压气机 小型涡轮轴发动机 小型涡扇发动机
2
效率
离心式压气机效率的定义与轴流式压气机效率定义相同
L i ,C Le
* C
*
等熵压缩过程所需功 / 实际压缩过程所需功
* kk 1 pC * * Li ,C C p T 1 1 * p a
p* 为预旋导流片前气流总压 a p* 为出气管出口处气流总压 C
较高动能，先经过无叶片环形空间即无 叶扩压器（2-2和2-2之间）增压减速， 再在叶片扩压器（2-2和3-3之间，类似 轴流压气机静子）中减速增压
结构示意图
集气管（3-3和K-K之间）：进一步
减速增压并引气体入燃烧室
气流参数沿流程变化
5
8.2离心式压气机气体流动特点
进气装臵中的气体流动
进气装臵由 预旋片 组成 分气盆
预旋片
预旋片的作用是使工作轮进口有一 定的切向速度C1u的分布 分气盆的作用是将经过预旋片的气 体分为数层，以便将气体较均匀地 充满工作轮叶片通道进口 为减少流动损失，进气装臵中的流 道应稍有收敛，使气体速度略增
双面进气的离心压气机 分气盆
6
工作轮中的气体流动
轴流式与离心式压气机增压原理的不同 轴流式：动能 压力能 增压
D D 2 (0.05 ~ 0.15) 航空发动机离心压气机缝隙部分很小 2 D2 2
气体在叶片扩压器中的流动
叶片采用圆弧弯成，沿圆周均匀分布 叶片之间构成扩压流道 3 2 工作原理与轴流式压气机整流器一 样，气流速度，压力 同样内、外径之下，扩压能力大于 无叶扩压器
19
尾迹
后弯叶轮的新发展
优点是当压气机沿等转速线流量减少时，输入功增加，工作稳定性提高， 提供了控制叶轮负荷分布的手段，并降低扩压器进口Ma，使其可适应较大 攻角变化范围，有利于改善非设计点性能 缺点是与径向叶轮相比，为达到相同压比需要较高的U，同时还增加了叶 片弯曲应力，叶片应力高
工作轮叶片的三种形式
叶轮侧表面所带动的与叶轮一起旋转的气体与机壳表面摩擦 叶片两侧压力不同，气体沿着叶轮与机 壳间轴向间隙从一个流道潜流到相邻流道， 其方向与叶轮旋转方向相反