发动机原理(第二章压气机)

动叶增压原理：加功、增速、 动叶增压原理：加功、增速、增压
为什么要转动加功增速
如果不对气体作功，只靠减速增压， 如果不对气体作功，只靠减速增压，压力增加 程度充其量等于来流总压； 程度充其量等于来流总压； 动叶对气体作功加入能量，增加绝对动能， 动叶对气体作功加入能量，增加绝对动能，使 气流在其后的静叶中有足够的能量减速增压； 气流在其后的静叶中有足够的能量减速增压； 排列顺序：动叶在前，静叶在后。 排列顺序：动叶在前，静叶在后。
δ = β2k − β2
β2k 几何出口角 β2 出口气流角
压气机实际压缩功
W k = CpT
* 1 * [( π k )
γ −1 γ
* − 1] / η k
压缩功与进口气流总温、 压缩功与进口气流总温、增压比 成正比， 成正比，与效率成反比
γ −1 * γ
* − 1] / η k
绝热效率等于理想压缩功与实际压缩功之比。 绝热效率等于理想压缩功与实际压缩功之比。 损失
叶型损失
流动 分离 尾迹 激波
环面损失 (二次流损失 二次流损失) 二次流损失
环面附面层 漏气 潜流
攻角
i = β1k − β1
β1k 几何进口角 β1 进口气流角 落后角
2、超音叶栅增压原理 、
进口超音速气 流W1经激波后 降为亚音流W2’ ，静压提高 然后气流转弯 速度降到W2 ， 静压进一步提 高
Mw1=1.3-1.5, 总压损失=0.97-0.94 总压损失
级增压比=1.8-2.2 级增压比
3、压气机级 、
压气机级沿叶高由基元级叠加而成； 压气机级沿叶高由基元级叠加而成； 因沿叶高的切线速度大小不同， 因沿叶高的切线速度大小不同，相对 速度大小和方向均不同， 速度大小和方向均不同，速度三角形 不同； 不同； 沿叶高叶片是扭转的。 沿叶高叶片是扭转的。
扭速
∆Wu = W1u − W2u
增加叶栅的弯曲程度，增大扩张程度， 增加叶栅的弯曲程度，增大扩张程度，可以增加扭速
多级轴流压气机
为提供发动机的推重比， 为提供发动机的推重比，必须提高压气机级增压 能力， 能力，减少级数
–更高的叶尖切线速度 更高的叶尖切线速度 –提高级的气动负荷 提高级的气动负荷
(1)气流在静子叶栅中的流动 气流在静子叶栅中的流动
气体作绝能流动 伯努利方程
3
ρ 2 dp>0 V3< V2 对于亚音气流， 对于亚音气流， 减速必须经过 扩张形通道
2
∫
dp
+
V 32 − V 22
+ W
fs
= 0
静子叶栅
利用叶型偏向轴线 弯曲， 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： 压原理：减速增压
U=f(n,D):高速旋转（n=10,000~50,000 rpm) 高速旋转（ 高速旋转 受强度、直径、 受强度、直径、相对速度等限制 扭速：增加叶栅的弯曲程度， 扭速：增加叶栅的弯曲程度，增大扩张程度 扩张程度过大，气流易分离， 扩张程度过大，气流易分离，损失增大
亚音轴流压气机级增压比=1.1~1.4 → 多级 亚音轴流压气机级增压比
(2)气流在动叶叶栅中的流动 气流在动叶叶栅中的流动
速度三角形 进口： 进口：
气流以V 气流以 1流向动叶 由于叶片转动切线速度U 由于叶片转动切线速度 1 气流以相对速度W 气流以相对速度W1进入动叶
出口： 出口：
气流以相对速度W 气流以相对速度 2 流出动叶 由于叶片转动切线速度U 由于叶片转动切线速度 2 气流以绝对速度V 气流以绝对速度 2流出动叶
动叶叶栅速度三角形
一级： 一级：
U1 ≈U2
将进、 将进、出口 速度三角形 叠画在一起， 叠画在一起， W和V均向 和 均向 转动方向发生 偏转： 偏转： W2 < W1 V2 > V1
动叶增压原理
伯努利方程(机械能守恒 伯努利方程 机械能守恒) 机械能守恒
2
相对坐标系 dp>0 W2< W1 > 叶型弯曲形成扩张 通道， 通道，相对速度减 小，压力提高
4、全台压气机 、
沿压气机轴向，随气体不断被增压，气体密度 沿压气机轴向，随气体不断被增压， 加大，气流通道逐级缩小， 加大，气流通道逐级缩小，叶片变短
三、热力过程及主要参数
1、热力过程 、
– 理想情况：绝热等熵压缩 理想情况： – 实际情况：多变压缩 实际情况：
h 2i
理想压缩功 等熵
2
多变
轴流式压气机
轴向进气， 轴向进气，轴向排气 优点：流通能力强、径向尺寸小、 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、 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、 适合：高推力级、高速飞行飞机发动机
二、 轴流压气机增压原理
多级组成 每一级由工作轮与静子组成 工作轮（转子〕 工作轮（转子〕：
级增压原理： 级增压原理： •动叶 动叶 • 加功增速 • 靠扩张叶栅通道减相对速度，增加压力； 靠扩张叶栅通道减相对速度，增加压力； •静叶 静叶 • 使在动叶中获得能量的气流，通过扩张叶栅通道减速 使在动叶中获得能量的气流， 增压 • 同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向，为顺 同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向， 利进入下一级做准备
叶片、 叶片、盘、轴
静子（导向器〕 静子（导向器〕：
叶片、机匣 叶片、
转子在前、静子在后， 转子在前、静子在后，交错 排列
1、亚音基元级增压原理 亚音基元级增压原理
分解 基元级→ 级→基元级→平面叶栅 平面叶栅
– 动叶叶栅 – 静叶叶栅
截面编号
– 1 动叶进口 – 2 动叶出口（静叶进口） 动叶出口（静叶进口） – 3 静叶出口
∫
1
dp
ρ
+
W22 − W12 2
+ W fr = 0
动叶增压原理
相对坐标系
2
∫
1
dp
ρ
+
W22 − W12 2
2
+ W fr = 0
dp V22 − V12 2
绝对坐标系 轮缘功→压缩功、 轮缘功→压缩功、 动能增量、 动能增量、摩擦功
Wu =
∫
1
ρ
+
+ W fr
两式相减， 两式相减，得： V22 − V12 W12 − W22 压气机对气体作轮缘功＝ 压气机对气体作轮缘功＝ Wu = + 绝对动能增量+相对动能增量 绝对动能增量 相对动能增量 2 2
第二章
发动机部件工作原理
第一节 压气机工作原理
一、功能、要求及分类 功能、
功能
加功增压， 加功增压，即对气体作压缩功以提高压力
对压气机的主要要求是在满足所需增压 比的条件下: 比的条件下
效率高，尺寸小（径向、轴向），重量轻 效率高，尺寸小（径向、轴向），重量轻; ），重量轻 有足够的稳定工作范围 安全可靠
分类
离心式 轴流式
离心式压气机
轴向进气， 轴向进气，径向排气 离心增压 优点： 优点： 结构简单、 结构简单、零件少 级增压能力强(6-12) 级增压能力强(6-12) 性能稳定 轴向尺寸短 缺点： 缺点： 效率 低，迎风面大 适合： 适合：小推力级
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， 运动时， 气体微团受 到离心惯性力的作用， 到离心惯性力的作用， 而且气体微团所在半 径越大， 径越大， 所受离心惯 性力就越大， 性力就越大 ，工作叶 轮外径处气流的压强 比内径处压强高， 比内径处压强高 ， 气 体流经工作轮过程中 压力逐步升高
Wu =
V22 − V12 2
+
W12 − W22 2
要提高每一级的增压能力，要提高 要提高每一级的增压能力，要提高Wu 轮缘功W 轮缘功 u
– 动量矩原理推导出（见教材） 动量矩原理推导出（见教材）
Wu = U (V2u − V1u ) = U (W1u − W2u ) = U • ∆Wu
– U– 切线速度 ∆WU – 扭速
P2*
P1*
多变压缩功
1 S
2、主要参数 、
增压比： 增压比： 流量： 流量： 转速： 转速： 多变压缩功： 多变压缩功： 绝热效率： 绝热效率： η*k=0.82~0.87
πk =
*
* p2 * p1
q ma ( kg / s ) n ( rpm ) Wk = CpT1* [(π k )
* η k = Wkad / Wk