叶轮机械原理 第三章
叶轮机械原理第三章(5).
第三章
轴流压气机的工作原理
•气流到达每一个槽道的中 和特征线位置时，气流的方 向是相同的，总是平行于中 和点B或E的切线方向；
•只要流动堵塞和激波贴体， 则在不同反压下，来流相对 吸力面B或E点的攻角为零 （唯一攻角）。
第三章
轴流压气机的工作原理
在实际的三维叶片通道
中，即使某基元级处于堵
塞状态，如果激波脱体，
进入压气机的流量减少，
唯一攻角也不一定存在。
第三章
第六节
轴流压气机的工作原理
压气机一级中的流动
当沿叶高将基元级叠加成压气机的一级以后，就 出现了： •端壁附面层流动； •端壁角区流动； •端壁间隙产生的间隙流动； •端壁半径变化产生的径向流动。 压气机一级的流动呈现出强烈的三维流动特性。
第三章
轴流压气机的工作原理
c u r
2
相平衡的压力梯度;
•动叶表面的气体微团可以看成是和叶片“粘”在一起旋转， 2 u 离
r
第三章
轴流压气机的工作原理
•在静叶表面也会产生叶片表面附面层潜移流动，但是 潜移流动的方向与动叶相反，由叶尖向叶根潜移流动 。 •叶片表面的附面层向端区潜移会造成端区的低能气体 的堆积，使得角区的流动容易产生分离，增加角区的 流动损失。
第三章
轴流压气机的工作原理
•在间隙比较小的情况下， 间隙流动中泄漏流占主要 部分 •压力面的气体动能高、 压力大，具有推迟或减小 吸力面气体流动分离的能 力
第三章
轴流压气机的工作原理
（3）通道涡流动 •主流区压力面静压高，端壁 区压力面静压低; •压力面附近的气流从静压高 处流向低静压处，占据了端壁 的气流通道; •沿端壁流向静压更低的吸力 面，在吸力面角区卷起，形成 横跨整个叶栅通道的旋涡流动。
叶轮机械原理西安交大-演示文稿1共147页PPT资料
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
三、蒸汽在喷管中实现能量转换的条件
蒸汽在喷管中的流动: → 目的：实现蒸汽热能向动能的转换
→ 条件： ①力学条件；②几何条件
① 力学条件
根据动量方程：
cdc dp 0
可以看出：动能↑→ 速度↑（ d）c→0
dp 0
→ 流动过程：膨胀过程
→ 理想无损失情况:等熵膨胀过程
◆ 确定参数： ① 喷管出口截面的状态参数 t1 （或i1……）；
② 喷管出口截面积 A1 和喉部（临界）面积 Acr； ③ 喷管出口汽流速度 c1 和喉部（临界）速度 ccr。
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
◆ 设计与计算过程
① 计算出口状态参数
根据等熵过程方程：
p0
k 0
p1
k 1
1
→
得到：1
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
1.2 喷管和动叶通道中的流动过程与通流能力
流动非常复杂：◆ 三元、粘性、可压缩、非定常流动 ◆ 伴随有能量的转换 ◆ N-S方程描述
一、一元流动模型和方程 基本假定：
① 蒸汽在叶栅通道中的流动是定常流动
→ 在流动过程中，空间任何一点的蒸汽参数不随时间而变化； → 汽轮机运行工况一定时，各点参数不再变化。符合假设条件。
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
② 几何条件
根据等熵过程方程：
p
k
const
代入动量方程：
cdc dp 0
得到：
dp
k
p
d
得到： 代入连续方程：
d cdc M2 dc
3-轴流压气机原理
Lu
W12
W22
C22
C12
U
2 2
U12
2
2
2
（1）、给气流加入功叶栅中的气流动能必然发生 变化，也就是加工量体现在气流动能的变化上。 （2）三项的意义分别是：相对动能的变化量（动 叶静压的升高）、绝对动能的变化量（为静叶静压 升高做准备）、离心力做的功。
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
轴向速度Ca的选取
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
预旋的影响
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理—— 第三章轴流压气机基元级理论
基元级的无因次参数和无因次速度三角形
基元级的无因次参数有：运动反动度量Ω、流量系数Φ和能量头系数
等。关于运动反动度已在上面讲过，下面只介绍其它两个参数． 一、流量系Φ： 流量系数是气流轴向分速与圆周速度的比值．它表示着压气机的通流
能力。
ca V u Fu
式中：V——气体的容积流量，
F——垂直轴向的环形通道面积。 当流量一定时， Φ值大小直接影响通流面积。如果要求压气机 迎风面积小， Φ应取的值大。对轴流式压气机的平均半径基元级，
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
圆周速度u的选取
航空叶片机原理 ppt课件
轴流叶轮机的结构
1、转静叶排交替排列 2、叶排由叶片周向排列形成 3、轴向间隙 4、径向间隙
PPT课件
1
第二章 叶片机中气体流动的性质
流动性质：
三维 粘性 可压缩 非定常
PPT课件
2
第二章 叶片机中气体流动的性质
PPT课件
3
第二章 叶片机中气体流动的性质
PPT课件
整流器：
PPT课件
21
气流参数沿轴流式压气机流程的变化：
PPT课件
22
4.2 性能参数
一、增压比 压气机出口压力与进口压的比值称为增压比。
总压比：
静压比：
二、效率 等熵压缩功：
滞止等熵效率：
PPT课件
23
流动性质：
三维 粘性 可压缩 非定常
4
第二章 叶片机中气体流动的性质
简 略 的 压 气 机 气 动 设 计 过 程
PPT课件
5
第三章 一维定常流动基本方程和热力学图示
一维定常流动的基本方程 流动过程的热力学图示 3.1一维定常流动的基本方程
一维定常流动方程的作用： 直接反映叶轮机总体工作性能参数与几何参数和状态参
PPT课件
12
2、轮缘功 一定质量的流体的轮缘功： 单位质量的流体的轮缘功：
若进出口半径相同：
PPT课件
13
3.2 流动过程的热力学图示
压气机——压缩过程 本节内容
涡 轮——膨胀过程
基本图示：
2 dp
1
P-V图
PPT课件
14
p Const
2
q2,1 TdS
1
q2,1 h2 h1
《叶轮机械原理》课件
03
叶轮机械的设计与优化
叶轮机械的参数设计
叶轮参数
01
包括叶片数、叶片型线、进出口安放角等。这些参数的选择和
优化对叶轮机械的性能有着重要影响。
流道参数
02
包括流道截面形状、流道面积等。这些参数的合理设计可以改
善流体在叶轮机械内的流动状态，从而提高效率。
转速与扬程
03
转速和扬程是叶轮机械的基本参数，它们的选择和优化对于确
02
叶轮机械的基本理论
流体动力学基础
流体静力学基本概念
流体的密度、压强、重力场等。
流体动力学基本方程
Navier-Stokes方程、连续性方程、动量方程等。
流体流动的基本特性
层流与湍流、边界层等。
叶轮机械中的能量转换
叶轮机械的工 力能、热能、动能等之间的转换。
04
叶轮机械的实验研究
实验设备与实验方法
实验设备
介绍进行叶轮机械实验所需的设 备和工具，如风洞、测试台、传 感器等。
实验方法
详细说明实验的操作流程和步骤 ，包括实验前的准备、实验过程 中的操作以及实验后的数据收集 等。
实验数据的处理与分析
数据处理
介绍如何对实验中收集的大量数据进 行整理、筛选和初步处理的方法。
总结词
随着科技的进步，叶轮机械的智能化与自动化成为了新的发展方向。
详细描述
通过引入先进的传感器、控制系统和人工智能技术，叶轮机械可以实现智能化控制和自动化运行。这不仅可以提 高设备的运行效率和稳定性，还能降低人工干预和故障率。
叶轮机械在新能源领域的应用
总结词
随着新能源产业的快速发展，叶轮机械在新能源领域的应用越来越广泛。
定叶轮机械的功率和效率至关重要。
叶轮机械原理
叶轮机械原理
叶轮机械原理是通过旋转的叶轮来转化或传递能量的一种机械原理。
叶轮通常由装备在轴上的叶片构成，这些叶片通过旋转提供机械能或液压能。
叶轮的工作原理基于牛顿第三定律，即作用力与反作用力相等而方向相反。
当叶轮旋转时，它会通过叶片与流体之间的相互作用产生一个作用力。
这个作用力会将流体推动并转化为机械能。
叶轮机械用于很多不同的应用，例如水泵、涡轮机和风力发电机等。
在水泵中，叶轮通过转动将流体吸入并推出，提供压力和流动。
在涡轮机中，叶轮则通过流体的作用转动轴，从而驱动发电机或者其他机械设备。
风力发电机中的叶轮接收风的能量，将其转化为旋转能量，然后由发电机生成电力。
叶轮机械的效率取决于其设计和操作参数，例如叶轮的形状、角度和转速等。
优化这些参数可以提高叶轮机械的效率和性能。
同时，叶轮机械还需要定期的维护和保养，以确保其正常运行和寿命。
总之，叶轮机械原理是一种通过旋转的叶轮将流体能转化为机械能的重要机械原理。
它在各种领域中都有广泛的应用，并且对于能源转换和流体传输具有重要意义。
叶轮机械原理-演示文稿(3)
XJTU
完全径向平衡方程简化为： ◆ 当Cr = 0 时，完全径向平衡方程简化为：
2 1 ∂p cu = ρ ∂r r
（简单径向平衡方程） 简单径向平衡方程） 径向平衡方程
可以看出： ◆ 可以看出：
① 即使径向分速度 =0 ，但只要存在周向分速度 ： 即使径向分速度Cr 但只要存在周向分速度Cu： 汽流压力沿叶高方向就不再保持常数； → 汽流压力沿叶高方向就不再保持常数； → 流动为同心圆柱面，可用圆柱流面计算法求解。 流动为同心圆柱面，可用圆柱流面计算法求解。 简单径向平衡方程是简化的完全径向平衡方程， ② 简单径向平衡方程是简化的完全径向平衡方程， 也能反映气动参数沿叶片高度的变化规律 沿叶片高度的变化规律。 也能反映气动参数沿叶片高度的变化规律。
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
◆ 长叶片透平级的特点： 长叶片透平级的特点： 透平级的特点
① 长叶片级的圆周速度沿径向变化很大
uh =
πd h n
60
< um =
πd m n
60
< ut =
πd t n
60
② 长叶片级的反动度沿径向变化很大
Ω h < Ωm < Ωt
③ 长叶片级的速度三角形沿径向变化很大
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
⑥ 有径向梯度的离心力场 在级进口（ 截面、出口（ 截面， → 在级进口（0-0）截面、出口（2-2）截面， 很小或为零， 由于周向分速度 Cu 很小或为零， 不存在离心力场， 不存在离心力场， → 在叶栅通道和轴向间隙（1-1）截面处， 在叶栅通道和轴向间隙（ 截面处， 轴向分速度很大， 轴向分速度很大， 汽流流线是一条由高压向低压前进的螺旋线， 汽流流线是一条由高压向低压前进的螺旋线， 且由于Cr≠ 圆弧线的曲率半径变化， 且由于 ≠0，圆弧线的曲率半径变化， 形成一个有梯度（沿径向和轴向）的离心力场。 形成一个有梯度（沿径向和轴向）的离心力场。 梯度
4 流体机械原理课件 第三章 叶轮
比较表
考虑轴向涡 不考虑轴向 影响 涡影响 150.8 174.3
35524.7 36945.7 41068.7 42711.5
误差
15.6% 15.6% 15.6%
C2u (m/s) wth (J/kg) wtot (J/kg)
wpol (J/kg)
ε Pout (MPa)
28078.7
1.792 0.215
m k 1.1548 pol 76% 5.67 m 1 k 1 1 1.1548
wth c2uu2 c1uu1 150.784 235.6 35524.7 J / kg
wtot wth (1 l df ) 35524.71 1.04 36945.7 J / kg
wpol wtot pol 36945.7 76% 28078.73J / kg
28078.73 1 1 1.1 RTin 5.67 197.57 231.3
1
wpol
w pol
1 RTin 1
(1.1) (1.1)5.67 1.792
2 2u 2
流体机械原理 闻苏平主讲
此方程为离心压缩机计算能量与功率的基本 方程式。 说明： 主要与叶轮圆周速度有关、流量系数、 叶片出口角和叶片数有关
流体机械原理 闻苏平主讲
r1 sin b 2 1 kcr 1 0.7 1 f r2 cr Z exp 8.16sin 2 A / Z
1
1
wpol
RTin
1
32460.7 1.125 5.67 197.57 231.3
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第一节
∗
p
压气机的总增压比发展历程
第三章轴流压气机的工作原理
∗L
第三章轴流压气机的工作原理第二节轴流压气机的基元级和基元级的速度三角形
高增压比的轴流压气机通常
由多级组成，其中每一级在一般
情况下都是由一排动叶和一排静
叶构成，并且每级的工作原理大
致相同，可以通过研究压气机的
一级来了解其工作原理。
第三章
轴流压气机的工作原理
用两个与压气机同轴并且半径相差很小的圆柱面，将压气机的一级在沿叶高方向截出很小的一段，这样就得到了构成压气机一级的微元单位－－基元级，
r Δ
第三章
轴流压气机的工作原理
基元级由一排转子叶片和一排静子叶片组成，它保留了轴流压气机的基本特征。
因非常小，气体在基元级中流动其参数可以认为只在沿压气机轴向和圆周方向发生变化，在圆柱坐标系下，这样的流动是二维流动。
r Δ
第三章轴流压气机的工作原理
为研究方便，可将圆柱面上的环形基元级展开成为平面上的基元级。
C=w+u
=ω
r
u×
第三章
轴流压气机的工作原理
第三节
基元级中动叶和静叶的作用及基元级的反力度
（一）基元级中动叶的作用
压气机通过动叶驱动气体流动完成对气体作功，将外界输入的机械功转变成气体的热能和机械能。
u
u u u c u c c u L Δ=−=)(12只要动叶对气体作了功，则一定有>u c Δ0
亚声速基元级工作原理
第三章轴流压气机的工作原理
超声速基元级工作原理
第三章轴流压气机的工作原理
基元级中动叶的作用：1.加功，2.增压。
第三章轴流压气机的工作原理
（二）基元级中静叶的作用
u
w Δu
c Δß2
ß1
w 2
w 1
c 2
c 1
Y A x i s T i t l e
第三章轴流压气机的工作原理
气体流经压气机级的参数变化
第三章轴流压气机的工作原理
（三）基元级的反力度
气流流过压气机基元级时，动叶和静叶都对气流有增压作用，当基元级总的静压升高确定后，就存在静压升高在动叶和静叶之间的分配比例问题。
基元级的静压升高在动叶和静叶之间的分配情况，对于基元级对气体的加功量和基元级的效率有较大的影响。
反力度定义
反力度的计算公式
第三章轴流压气机的工作原理
第四节基元级的速度三角形分析
•多级轴流压气机是由多个单级压气机串联组成，而其中每一个单级压气机又是由很多个基元级沿叶高叠加而成。
•压气机是通过无数个基元级实现对气体的加功和增压，基元级构成了轴流压气机的基础。
第三章轴流压气机的工作原理
•设计压气机从设计压气机的基元级开始，而设计基元级又是从确定基元级的气动参数开始。
•速度三角形中的主要参数对压气机基元级的加功、增压和低流阻损失等性能有着重要的影响。
第三章轴流压气机的工作原理
叶背流动分离
第三章轴流压气机的工作原理
•超、跨声速基元级，扭速是靠强烈的激波系获得。
•如果激波强度过大，激波本身的总压损失和激波－－附面层干涉损失严重，使得动叶的效率急剧下降。
u w Δ
第三章轴流压气机的工作原理
静叶进口气流速度大、方向斜带来的问题：
•气流在静叶中偏转角度大，减速、扩压大，易分离；
•出现超声速流动区域和激波，激波损失；
•流量易堵塞。
(二)动叶圆周速度u的选取
第三章轴流压气机的工作原理
（三）动叶进口轴向速度c
1a
的选取
•c1a影响压气机的迎风面
积；
•过大的c1a易导致流动堵塞
和流动损失增大，尤其是
在动叶的根部区域（叶片
密、叶片厚）；
•Ma超过0.75后，q(Ma)增大不明显；
a
c
M
1
a
c
M
1
第三章轴流压气机的工作原理
（三）动叶进口轴向速度c 1a 的选取
•美国民用发动机风扇/压气机的的选取值不超过0.50～0.55，军用发动机风扇/压气机的的选取值不超过0.60～0.65。
a c M 1a c M 1
（四）动叶进口预旋速度c
第三章轴流压气机的工作原理
第五节压气机平面叶栅流动
动叶和静叶的叶栅通道以及气
流相对于动叶和静叶的流动都
有着共同的特点：
•气流在沿流向扩张的通道中减
速扩压流动；
•气流的角度发生偏转，由与轴
向的夹角大，偏转到与轴向的
夹角小。
亚声速基元级
第三章轴流压气机的工作原理
可以用单独一排叶片来模拟气流在基元级中动叶或静叶中的流动，这种在平面上展开的模拟叶栅就是压气机平面叶栅。
第三章轴流压气机的工作原理
叶型表面座标:
选定中弧线（圆弧、抛物线、多项式等），将原始叶型（中弧线为直线的对称叶型）的厚度移植到中弧线曲线上，可得到叶型的表面座标。
叶背表面也称为叶片吸力面，叶盆表面也称为叶片压力面。
一、平面叶栅的几何参数
第三章
轴流压气机的工作原理
叶型几何参数
1.中弧线
2.弦长b
3.最大挠度f max 及其位置a
和
4.最大厚度c max 及其位置e 和
5.叶型前缘角和后缘角
6.叶型弯角，b
f f max
=
b
a a =
b
c c max
=
b e e =1χ2χθ2
1χχθ+=
叶栅几何参数1.叶型安装角2.栅距t 3.叶栅稠度,4.几何进口角βτ
β
第三章轴流压气机的工作原理
二、平面叶栅中的流动
当叶栅进口比较高时（达到0.8左右），在叶栅通道内部就有可能出现局部超声速流动，这时的来流在气动上被称为临界。
1
a M 1
a M cr a M 前缘小圆的半径增大、叶型的最大厚度大和其位置靠近前缘、
中弧线的挠度大和其位置靠近前缘等因素，都会使叶栅的临界减小。
cr a M
第三章轴流压气机的工作原理
叶片表面附近的马赫数分布叶片表面静压分布
第三章轴流压气机的工作原理
（b）附面层分离
（c）激波－－附面层
干涉
第三章轴流压气机的工作原理
气体沿曲线流动时，所受离心
力与从压力面到吸力面的压力梯度
相抗衡，接近尾缘时，由于该压力
梯度减小，气流趋向于靠近压力面
一侧流动，叶型的弯角越大，这一
倾向越明显，即落后角越大。
第三章轴流压气机的工作原理
在叶栅出口处叶片压力面与额
线的夹角小于叶型中弧线与额线
的夹角，因此，叶型尾缘附近的
厚度也对落后角有较大的影响，
叶片尾缘越厚，落后角越大。