北航-叶轮机械原理- ch5(4)
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北航5系发动机原理大纲
北航5系发动机原理大纲
一、发动机设计的基本思想
1、发动机原理。
发动机是一种机械装置，它通过排气过程(膨胀期)及内燃机的燃烧产生推力，从而把发动机的转动能转换为机械能，达到驱动车辆的目的。
2、发动机类型。
发动机的类型有气缸、单缸双活塞、边缘燃烧、双缸双活塞、双缸四活塞等。
3、发动机工作过程。
发动机的工作过程包括燃烧期、膨胀期、排气期等。
其中燃烧期是指把燃料与氧气在头部燃烧室内混合，并受到工作气体的作用，经火花塞点燃后，在活塞上行进并发生燃烧的过程；膨胀期是指活塞下行时，受到燃料燃烧的作用，工作气体的温度和压力均升高，从而获得动力的过程；排气期是指活塞上行时，受到气缸上壁的阻力，工作气体通过排气门排出气缸外的过程。
二、发动机安装的要求
1、发动机的安装应充分将其结构特征考虑，以保证发动机的正常运行，减少发动机的功耗。
2、发动机的安装应使发动机主要重心位于车辆中心，以防止发动机在行驶过程中引起车辆抖动。
3、发动机安装时要注意避免振动和排气污染，并保证发动机内气体能够均匀流动。
4、发动机密封件应确保紧固、无渗漏，避免拆装不当导致的压缩比变化和其他损坏。
北航 航空发动机原理总结
– 三种工作状态
临界、超临界、亚临界
取决于喷管压比与临界压比的关系 临界、亚临界：完全膨胀
超临界：不完全膨胀
– 出口气流所能达到的最大速度
C9max=当地音速＝f(排气总温）
收敛-扩张型
– 几何固定的收－扩喷管有三种工作状态
完全膨胀、不完全膨胀、过度膨胀
取决于喷管压比和面积比
总 结
进气道和尾喷管工作原理 各种类型发动机基本工作原理
发动机设计点性能
各部件共同工作及控制规律 发动机非设计点性能（特性）
进气道工作原理及特性
功能、设计要求及分类
亚音进气道
– 三种流谱(0<<) – 结构形式
超音进气道
– 气动设计原理(多波系结构) – 三种结构形式(内压、外压、混压) – 外压式超音速进气道的特性
Tt4
Tt2
控制规律的 制定将决定 最终所获得 的发动机性 能，因此控 制规律的设 计至关重要
n2
低速
Tt4 Tt2
高速
n1
发动机稳态特性
发动机典型工作状态
节流特性（油门特性、转速特性）
– 定义 – 典型曲线及参数变化原因 – 防喘措施的防喘机理及其对特性的影响
速度特性
– – – – 典型喷气式发动机速度特性曲线及参数变化原因 不同设计参数特性 不同控制规律 不同类型发动机速度特性（涡喷、涡扇、复燃加 力发动机、涡桨、涡轴）的特点及其适应范围
由涵道比定义和流量连续条件
– 涵道比将随飞行条件、转子转速的变化而变化
发动机流通能力变化使进气道的工作状态受到影响
– 亚音进气道（三种流普） – 超音进气道（三种工作状态）
北航5系发动机原理大纲
发动机原理教学大纲课程编号：课程名称：发动机原理Aircraft Engines学时/学分：24学时/1.5学分先修课程：流体力学基础（编号）、工程热力学一、课程教学目标本课程是“飞行器设计工程”专业本科生的必修课。
发动机是飞机的关键部件之一，它提供飞行动力，它的性能直接影响飞机性能，飞机控制和操纵所需功率也来自于发动机。
本课程的目的是使飞机系学生掌握发动机工作原理和性能以及适用范围和使用时的工作限制。
了解飞机和发动机匹配中所存在的问题。
二、教学内容及基本要求1. 课程主要内容第一章航空燃气涡轮发动机工作原理(5学时)发动机的工作过程有效推力和推力计算公式发动机性能指标和基本要求发动机中的能量转换和发动机效率发动机主要设计参数及选择原则飞机/发动机一体化设计概念第二章发动机主要部件工作原理(9学时)进气道的工作状态及特性压气机加功增压原理及特性燃烧室工作原理及特性涡轮做功原理及特性尾喷管的工作状态及特性第三章涡轮喷气发动机(7学时)各部件共同工作涡喷发动机特性超音速进气道与发动机匹配问题加力涡喷发动机工作特点和性能发动机过渡工作状态第四章涡轮风扇发动机(2学时)涡扇发动机组成与分类附加质量原理性能指标涡扇发动机性能特点第五章涡轮轴发动机(2学时)工作原理主要性能指标性能特点2. 课程基本要求要求学生熟练掌握各种航空发动机的工作原理，性能指标和适用范围；掌握发动机特性及其应用条件；了解发动机性能变化原因。
三、教学安排及方式●本课程以课堂讲授为主，安排少量课后作业,参观发动机陈列室，增强感性认识。
●周学时（1.5），课内、外比例1：1.5。
四、考核方式平时考核与课程结业笔试相结合，平时成绩为30%，结业笔试为70%。
五、参考教材1. 教材《航空燃气涡轮发动机》尚义编，航空工业出版社，1995年版。
2. 参考书《航空燃气涡轮发动机原理》下册【苏】Ю. Н. 聂加耶夫等著, 姜树明译,国防工业出版社, 1984年6月;3．《Aircraft Engine and Gas Turbine》【美】Jack L. Kerrebrock, MIT .。
北航-发动机原理(第4章)
2 V91 V02
2 Y 0
2 V92 V02 (1 Y )( ) 2
推力
V92 V91 F1 qma 1 (V91 V0 ) F2 qma 2 (V92 V0 ) qmaI (1 Y )(V92 V0 ) F2 F1 F2 F1 V91 V0 V92 V0 1Y 1
耗油率
02 01
1
推进效率比较
结论
涡扇发动机将从热机中获取的机械能分
配给了更多的工作介质，参与产生推力 工质增多，因此推力增大； 相同热效率条件下降低了排气速度，减 小了余速损失，提高了推进效率，提高 了总效率，降低了耗油率。 涵道比越大，推力越大，耗油率越低。
– 提高压气机效率
• 改进叶型 • 严格控制叶尖间隙
部件特点
三、燃烧室 – 短环型火焰筒 – 喷油喷嘴 – 低排放污染
• 分区供油 • 间歇喷油
部件特点
四、涡论 – 采用耐高温材料（定向结晶、单晶 精密铸造）； – 冷却技术（冷却气、高温涂层）； – 为提高效率，采用主动径向间隙控 制技术，可使巡航耗油率降低1%。
低压转速（如G.E.) 发动机压比（如PW)
混排涡扇发动机
调节中介：燃油、A8 调节参数：
组合控制规律
-31：最大状态调节规律
在各种飞行条件下产生尽可能大的推力 进气总温 < 255K
等相似转速调节
255K<进气总温 < 288K
等低压转速调节
288K<进气总温 < 373K
内涵喷管出
口动能
EK=V92/2
质量附加原理
作为热机，当在发动机中获得的机械能
叶轮机械原理
2）叶轮机属于旋转机械，叶片从根到尖的展向 流动变化非常大；
3）叶轮机通常存在内外环D 壁边界。
54
第一章 绪 论
• 叶轮机内部流动的复杂性：
1）流动的三维性 ； 2）流体的可压缩性 ； 3）流体的粘性 ； 4）流动的非定常性。
D
55
第一章 绪 论
D
56
第一章 绪 论
八、叶轮机械内部复杂流动的简化
D
3
第一章 绪 论
4）离心式压缩机原理 徐忠，机械工业出版社，1990 5）轴流压气机气动设计，秦鹏 译，NASA-SP-36，1965 6）泵与风机（第二版）， 郭立均，
中国电力出版社，1997年 7）叶轮机械--原理与结构，鲍尔，W.，1984年6月第1版
D
4
第一章 绪 论
一、叶轮机的广泛应用 风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、
D
44
第一章 绪 论
S1和S2流面
D
45
第一章 绪 论
S1流面
D
46
第一章 绪 论
S2流面
D
47
第一章 绪 论
• 20世纪60年代Novak等人发展出了S2 流面上的流线曲率法（流线迭代法）。 • 流线曲率法将三维空间问题化简为S2流 面上的准三维问题。 • 补充两个模型方程（经验关系式）：
水轮机、水泵、螺旋桨（飞机、轮船）、航 空发动机中的风扇、压气机、涡轮 ……
D
5
D
6
D
7
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8
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9
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12
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16
叶轮机械原理第五章ppt文档
n / T0
在什么截面上应用如下等式？
G
T1*
G`
T1* `
P1*
P1* `
n n`
T1*
T1* `
问：是否满足雷诺数大于2×105？
5.3 轴流压气机相似准则的应用
➢求解：
（2）“零级”后的总温为：
k 1
T 1 ' T 1 (*' k 1 )/ 'T 1 3K 51
满足相似准则所需达到的新转速、流量：
❖第二类是单纯气动现象，它也会激发叶片的振动，但 这种叶片振动性质属于他激振动。 ❖第二类非稳定工况又分为两种：一是旋转失速或称旋 转分离；另一种是喘振现象。二者既有差别又有联系。
5.4 压气机的不稳定工况与扩稳
➢一，旋转失速
➢当转速一定而空气流量减少时，就会引起转子动叶攻角 的增加。空气流量减少到一定程度就能观察到不稳定流动， 同时压气机发出特殊叫声，振动也增大。在转子后测得的 流场表明，有一个或多个低速气流区以某一转速沿动叶旋 转方向转动，这种非稳定工况被称为旋转失速。
n n`
T1*
T1* `
n' 1.104n
G
T1*
G`
T1* `
P1*
P1* `
G' 1.81G
5.4 压气机的不稳定工况与扩稳
➢5.4 压气机的不稳定工况与扩稳
❖不稳定工况的分类
❖压气机非稳定工况可以分为两大类。第一类属于气 动弹性现象，这时叶片的振动属于自激振动，这种现 象被称之为颤振。这种现象不在这里介绍。
➢1，利用好的原型压气机进行缩放设计 ❖一台性能良好的多级压气机可以按相似准则进 行放大或缩小，应用到所需要的新机种中去。
叶轮机械原理 chapter4
2006-3
叶轮机械原理
第四章 轴流压气机气动设计
轴流压气机速度三角形的确定
背景及意义
各排叶片基元速度三角形的确定是压气机通流设计的核心！ 知道了流量、转速、流道、级压比和级效率，是否就可以画出转子 各个基元的速度三角形？（设计中各个基元的压比和效率是给定的）
* k * T2 Lu C p (T T ) RT1 ( * 1) k 1 T1 * 2 * 1
2006-3
叶轮机械原理
第四章 轴流压气机气动设计
4.1 简单径向平衡方程及其应用
扭向规律
3. 中间设计规律
V 1 Ar B r V 2 Cr D r
A＝C＝0：等环量规律 A＝C≠0、B＝D、B&D>0：等反力度规律
A≡C时可获得等功设计。
2006-3
叶轮机械原理
怎 么 办？
2006-3
叶轮机械原理
第四章 轴流压气机气动设计
4.2 径向平衡方程及其应用
径向平衡方程：
流线弯曲会带来什么影响？
n r m B A x C
r
θ
C B A
(b) View along axis (a) Meridional plane
2006-3
叶轮机械原理
第四章 轴流压气机气动设计
通流设计
叶片造型
全三维数值模拟
Y Axis Title
设计和非设计点 性能预估
近转子吸力面马赫数分布 50 结构、强度和振动设计
0
2006-3
叶轮机械原理
第四章 轴流压气机气动设计
引 言
本章主要内容
如何确定速度三角形
如何进行叶片造型 多级轴流压气机设计的基本问题 全三维数值计算在叶轮机械气动设计中的应用 轴流压气机气动设计某些发展趋势
14-叶轮机械原理课程总结
非设计工况1：
后面级流量 系数加速增加 容易引起阻塞
额定转速压比低于设计值
非设计工况2：
前面级流量减少， 压比升高，后面级 流量系数加速减小 容易引起阻塞
额定转速压比高于于设计值
非设计工况3：
前面级压比、流 量均小于设计值， 由于压比较低流量 系数增加较快，易 出现前喘后堵的现 象。
中低转速时工作点
2 P w (r 2 cos 2 w ) n Rc
因此，前弯叶轮适用于较大通风 能力，较小升压比。如通风机；压缩 机、鼓风机多用后弯叶轮。
叶轮机械原理课程总结
叶轮机械原理课程总结 一、向心透平工作原理
1、向心透平优点 结构紧凑、制造工艺简单、造价低廉、流量较小 的条件下可获得较高效率。 2、工作特点 大焓降、高膨胀比、气动性能要求低 3、应用 小流量透平、增压器、高速微型膨胀机
叶轮机械原理课程总结
பைடு நூலகம்
叶轮机械流动的复杂性： 1、流动非定常 2、流动是三维的 3、流体的可压缩性 4、流体的粘性
叶轮机械原理课程总结
复杂流动的简化： 1、按照周期性平均值将流动简化为定常 2、假设流动是轴对称的 3、流体的粘性影响仅存在于附面层内
叶轮机械原理课程总结
气动热力计算将叶轮简化为子午面流道的一元定常 可压缩流动问题
叶轮机械原理课程总结
按照工质分类： 水力机械 热力机械 按照能量传递方向分类： 工作机：将外界输入的机械功转化为工质的机械能（动 能、压力势能）和热能（压气机） 原动机：将流体的机械能和热能转换为对外输出的机械 工（涡轮、汽轮机）
叶轮机械原理课程总结
按照结构形式分类： 轴流式和径流式
叶轮机械原理课程总结
常用涡轮反动度的定义：
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边界层理论：L. Prantl于1904年提出 边界层厚度与摩擦损失
摩擦损失计算
l fric
2
d 1 hyd
v2 dx 2
式中， 为摩擦阻力系数，与Re和表面粗糙度相关 f (Re,r / K)
dhyd 为水力直径，对于半径为r的圆截面：dhyd 2r
对于长、宽分别为a、b的矩形截面：dhyd
航空叶轮机械原理
第五章 离心压气机
北京航空航天大学 航空发动机数值仿真研究中心
金东海 2019年春
主要内容
第一节 工作过程及性能参数 第二节 叶轮理论 第三节 固定元件（进气装置、扩压器、排气装置） 第四节 叶轮损失 第五节 性能特性
第六节 相似理论的应用——比转速 第七节 水泵的气蚀问题
第四节 叶轮损失
分离损失
易分离位置——进口分离
轮盖处：加速过急、扩压加剧，易 分离
轮盘处：转弯过急，形成冲击分离
迎角特性（冲击损失）
第四节 叶轮损失
尾迹损失
Lwake
wake
v22 2
式中， wake 为尾迹损失系数
总损失系数经验关系
爱盖尔特经验式（后弯式叶轮）
前弯叶片式叶轮气流出口绝对速度比后弯高，易使扩压器进入 跨声速
前弯叶片式叶轮流道短但弯度大、扩张角大，易分离 前弯叶片式叶轮流道出口速度分布更加不均匀
a、后弯叶片式
前、后弯叶片叶轮流道内部速度分布比较
b、前弯叶片式
第二节 叶轮理论
不同形式叶轮的反力度（Reaction ratio）
离心压气机的主要性能参数
流量： 质量流量 G VA 体积流量 Q VA G /
压比：
* c
p5* p0*
效率：
k 1
c
k c Tc T1
1 1
功率：
压气机 N GLu
泵
N Q gH
风机 N QP
第一节 工作过程及性能参数
由于叶片扩压器的内部 流动不易控制，通常采用直 壁式叶片扩压器。
叶片扩压器
第三节 固定元件
扩压器
直壁扩压器
161221
无叶扩压段
当 Ma2 Macr 时避免扩压器壅塞， 通过无叶扩压段降低扩压器进口 马赫数
v3 vr3 cos2 2D2 v2 vr2 cos3 3D3
r —轮盖进口固角半径;
b1 —叶片进口宽度，指叶片轮盖侧面边缘AB延长到C点(叶片进口中心点的直径处)所量得的宽度； b2 —叶轮叶片出口宽度；
第二节 叶轮理论
离心叶轮的速度三角形
第二节 叶轮理论
无限叶轮流动理论与有限叶轮流动理论
轴向旋涡说明实验
叶轮流道中流体流动示意
第二节 叶轮理论
c、前弯叶片式叶轮
叶轮叶片的三种形式及出口速度三角形
第二节 叶轮理论
三种形式叶轮的比较
前弯叶片式叶轮气流出口绝对速度比后弯高，易使扩压器进入 跨声速
前弯叶片式叶轮流道短但弯度大、扩张角大，易分离
前、后弯叶片式叶 轮的流道比较
a、后弯叶片式
b、前弯叶片式
第二节 叶轮理论
三种形式叶轮的比较
Dv D3v3 D4v4 常数
无叶扩压器
第三节 固定元件
当无叶扩压器 4 3 时，则
vr 4
vr3
3 D3 4 D4
vr3
D3 D4
4 3
当无叶扩压器存在壁面摩擦力时，
vu4r4 vu3r3
vu 4
vu3
D3 D4
4 3
当无叶扩压器密度增加和壁面摩擦力同时作用时，设 4 3
第三节 固定元件
扩压器
管式扩压器
第三节 固定元件
扩压器
管式扩压器
PW100 (PT7A)
第三节 固定元件
弯道和回流壳
蜗壳的结构形式
等截面排气管 蜗壳前为叶轮
蜗壳前为扩压器
不对称内蜗壳
第四节 叶轮损失
损失的类别
ltot
1945年，Cheshire首次报道离心压气机失速现象； 发生原因：
导风轮前缘的轴对称分离引发失速； 叶轮后固定元件（涡壳）非对称流动引发失速
失速裕度大于轴流压气机
性能特性
一个案例
性能特性
一个案例
离心叶轮进口
离心叶片压力面相对马赫数和流线分布
性能特性
一个案例
离心叶轮进口
进气道、（导风轮）、离心叶轮、径向扩压器、轴向扩压器
第一节 工作过程及性能参数
离心压气机的基本结构（民用）
进气涡壳（inlet） 叶轮（impeller） 扩压器（diffuser） 排气涡壳（volute）
第一节 工作过程及性能参数
离心压气机级的工作过程
第一节 工作过程及性能参数
u12 2
w12
w22 2
v22
v12 2
设 v1u 0 ，v2r v1r v1 ，根据速度△
v12 u22 (u2 v2u )2 v22r 1 v2u 1 2u
2v2uu2
2u2
2
可见，后弯叶片式叶轮的反力度大，前弯叶片式叶轮的反力度小，径向叶片叶轮的反力 度在0.5左右。
v22 v12 2
2 1
1
dp
lf
ll ldf
摩擦损失
分离损失
尾迹损失
lf
二次流损失
漏气损失 ll 轮阻损失 ldf
ltot lu ll ldf
lu
v22 v12 2
2 1
1
dp
lf
第四节 叶轮损失
摩擦损失
边界层
二次流动的类型
角涡
潜流
潜流
泄漏流
横向流（通道涡）
通道涡
通道涡
角涡
泄漏涡
刮削涡
通道涡
性能特性
Gcorr
G 101325 p0*
T0* 288.15
ncorr n
288.15 T0*
性能特性
与轴流压气机的比较
特性线相对较为平坦； 稳定工作范围较宽。
失速与喘振
v4 vr4 cos3 3D3 v3 vr3 cos4 4 D4
当无叶扩压器 b4 b3
第三节 固定元件
扩压器
叶片扩压器
设叶片扩压器 b4 b3，则
v4 3D3 cos3 v3 4D4 cos4
由于 4 3 ，所以 v4 v3 ， 即叶片扩压器的扩散度大于 无叶扩压器。因此，叶片扩 压器的出口直径 D4 通常小 于无叶扩压器，适合于半径 限制比较严格的压气机
2ab ab
第四节 叶轮损失
分离损失
边界层分离
影响边界层分离的因素
Ma数
Re数 湍流度
与流动相关
逆压梯度
表面粗糙度 通道的扩张度等
与几何相关
第四节 叶轮损失
分离损失
表面粗糙度
取决于工艺水平 小雷诺数情况下叶片进口宜采用较大的粗糙度
当量扩张角
tan eq D2b2 cos 2m D1b1 cos 1m
2
Zl
式中， Z为叶片数；b 为叶轮进出口宽度
扩散因子（D因子，diffusion factor）
D wmax ws2 式中， s 为非工作面（吸力面） ws1
离心压缩机设计中，D因子通常小于0.4
第四节 叶轮损失
2 1
1
dp
Lf
Lu
u22 u12 2
w12 w22 2
(u22 u12 ) (w12 w22 )
v2uu2 v1uu1
2(v2uu2 v1uu1)
lu
v22 v12 2
2 1
1
dp
lf
lu
v2uu2
v1uu1
u22
lu
u22
u12 2
w12
w22 2
v22
v12 2
代入轮缘功，得到
u22 u12 2
w12 w22 2
v22 v12 2
lf
v22 v12 2
2 dp 1
（总）压缩功等上升很大程度上取决于进出口切线速度的差异，即 u22 u12 2
第二节 叶轮理论
径向扩压器轮盖表面流动痕迹的实物照片
离心叶轮出口
扩压器叶根、叶尖S1流面流线分布
性能特性
一个案例—结论
轴承； 18、止推轴承； 19、隔板； 20、回流器导流叶片； 21、中间冷却吸气管； 22、出气管
第一节 工作过程及性能参数
离心式叶轮机的应用——涡轮增压器
B-17 发动机增压器结构图
第一节 工作过程及性能参数
离心式叶轮机的应用——小型航空发动机
第一节 工作过程及性能参数
离心压气机的典型结构（军用）
轴向进气的进气管 径向进气的进气管 双支承轴承采用的径向吸气室
进气通道 螺旋通道 环形收敛通道
水平进气吸气室 双面进气吸气室
各种型式的吸气室
第三节 固定元件
进气装置
吸气室的筋
第三节 固定元件
扩压器
无叶扩压器
设无叶扩压器 4 3 ，b4 b3，则
摩擦损失计算
l fric
2
d 1 hyd
v2 dx 2
式中， 为摩擦阻力系数，与Re和表面粗糙度相关 f (Re,r / K)
dhyd 为水力直径，对于半径为r的圆截面：dhyd 2r
对于长、宽分别为a、b的矩形截面：dhyd
航空叶轮机械原理
第五章 离心压气机
北京航空航天大学 航空发动机数值仿真研究中心
金东海 2019年春
主要内容
第一节 工作过程及性能参数 第二节 叶轮理论 第三节 固定元件（进气装置、扩压器、排气装置） 第四节 叶轮损失 第五节 性能特性
第六节 相似理论的应用——比转速 第七节 水泵的气蚀问题
第四节 叶轮损失
分离损失
易分离位置——进口分离
轮盖处：加速过急、扩压加剧，易 分离
轮盘处：转弯过急，形成冲击分离
迎角特性（冲击损失）
第四节 叶轮损失
尾迹损失
Lwake
wake
v22 2
式中， wake 为尾迹损失系数
总损失系数经验关系
爱盖尔特经验式（后弯式叶轮）
前弯叶片式叶轮气流出口绝对速度比后弯高，易使扩压器进入 跨声速
前弯叶片式叶轮流道短但弯度大、扩张角大，易分离 前弯叶片式叶轮流道出口速度分布更加不均匀
a、后弯叶片式
前、后弯叶片叶轮流道内部速度分布比较
b、前弯叶片式
第二节 叶轮理论
不同形式叶轮的反力度（Reaction ratio）
离心压气机的主要性能参数
流量： 质量流量 G VA 体积流量 Q VA G /
压比：
* c
p5* p0*
效率：
k 1
c
k c Tc T1
1 1
功率：
压气机 N GLu
泵
N Q gH
风机 N QP
第一节 工作过程及性能参数
由于叶片扩压器的内部 流动不易控制，通常采用直 壁式叶片扩压器。
叶片扩压器
第三节 固定元件
扩压器
直壁扩压器
161221
无叶扩压段
当 Ma2 Macr 时避免扩压器壅塞， 通过无叶扩压段降低扩压器进口 马赫数
v3 vr3 cos2 2D2 v2 vr2 cos3 3D3
r —轮盖进口固角半径;
b1 —叶片进口宽度，指叶片轮盖侧面边缘AB延长到C点(叶片进口中心点的直径处)所量得的宽度； b2 —叶轮叶片出口宽度；
第二节 叶轮理论
离心叶轮的速度三角形
第二节 叶轮理论
无限叶轮流动理论与有限叶轮流动理论
轴向旋涡说明实验
叶轮流道中流体流动示意
第二节 叶轮理论
c、前弯叶片式叶轮
叶轮叶片的三种形式及出口速度三角形
第二节 叶轮理论
三种形式叶轮的比较
前弯叶片式叶轮气流出口绝对速度比后弯高，易使扩压器进入 跨声速
前弯叶片式叶轮流道短但弯度大、扩张角大，易分离
前、后弯叶片式叶 轮的流道比较
a、后弯叶片式
b、前弯叶片式
第二节 叶轮理论
三种形式叶轮的比较
Dv D3v3 D4v4 常数
无叶扩压器
第三节 固定元件
当无叶扩压器 4 3 时，则
vr 4
vr3
3 D3 4 D4
vr3
D3 D4
4 3
当无叶扩压器存在壁面摩擦力时，
vu4r4 vu3r3
vu 4
vu3
D3 D4
4 3
当无叶扩压器密度增加和壁面摩擦力同时作用时，设 4 3
第三节 固定元件
扩压器
管式扩压器
第三节 固定元件
扩压器
管式扩压器
PW100 (PT7A)
第三节 固定元件
弯道和回流壳
蜗壳的结构形式
等截面排气管 蜗壳前为叶轮
蜗壳前为扩压器
不对称内蜗壳
第四节 叶轮损失
损失的类别
ltot
1945年，Cheshire首次报道离心压气机失速现象； 发生原因：
导风轮前缘的轴对称分离引发失速； 叶轮后固定元件（涡壳）非对称流动引发失速
失速裕度大于轴流压气机
性能特性
一个案例
性能特性
一个案例
离心叶轮进口
离心叶片压力面相对马赫数和流线分布
性能特性
一个案例
离心叶轮进口
进气道、（导风轮）、离心叶轮、径向扩压器、轴向扩压器
第一节 工作过程及性能参数
离心压气机的基本结构（民用）
进气涡壳（inlet） 叶轮（impeller） 扩压器（diffuser） 排气涡壳（volute）
第一节 工作过程及性能参数
离心压气机级的工作过程
第一节 工作过程及性能参数
u12 2
w12
w22 2
v22
v12 2
设 v1u 0 ，v2r v1r v1 ，根据速度△
v12 u22 (u2 v2u )2 v22r 1 v2u 1 2u
2v2uu2
2u2
2
可见，后弯叶片式叶轮的反力度大，前弯叶片式叶轮的反力度小，径向叶片叶轮的反力 度在0.5左右。
v22 v12 2
2 1
1
dp
lf
ll ldf
摩擦损失
分离损失
尾迹损失
lf
二次流损失
漏气损失 ll 轮阻损失 ldf
ltot lu ll ldf
lu
v22 v12 2
2 1
1
dp
lf
第四节 叶轮损失
摩擦损失
边界层
二次流动的类型
角涡
潜流
潜流
泄漏流
横向流（通道涡）
通道涡
通道涡
角涡
泄漏涡
刮削涡
通道涡
性能特性
Gcorr
G 101325 p0*
T0* 288.15
ncorr n
288.15 T0*
性能特性
与轴流压气机的比较
特性线相对较为平坦； 稳定工作范围较宽。
失速与喘振
v4 vr4 cos3 3D3 v3 vr3 cos4 4 D4
当无叶扩压器 b4 b3
第三节 固定元件
扩压器
叶片扩压器
设叶片扩压器 b4 b3，则
v4 3D3 cos3 v3 4D4 cos4
由于 4 3 ，所以 v4 v3 ， 即叶片扩压器的扩散度大于 无叶扩压器。因此，叶片扩 压器的出口直径 D4 通常小 于无叶扩压器，适合于半径 限制比较严格的压气机
2ab ab
第四节 叶轮损失
分离损失
边界层分离
影响边界层分离的因素
Ma数
Re数 湍流度
与流动相关
逆压梯度
表面粗糙度 通道的扩张度等
与几何相关
第四节 叶轮损失
分离损失
表面粗糙度
取决于工艺水平 小雷诺数情况下叶片进口宜采用较大的粗糙度
当量扩张角
tan eq D2b2 cos 2m D1b1 cos 1m
2
Zl
式中， Z为叶片数；b 为叶轮进出口宽度
扩散因子（D因子，diffusion factor）
D wmax ws2 式中， s 为非工作面（吸力面） ws1
离心压缩机设计中，D因子通常小于0.4
第四节 叶轮损失
2 1
1
dp
Lf
Lu
u22 u12 2
w12 w22 2
(u22 u12 ) (w12 w22 )
v2uu2 v1uu1
2(v2uu2 v1uu1)
lu
v22 v12 2
2 1
1
dp
lf
lu
v2uu2
v1uu1
u22
lu
u22
u12 2
w12
w22 2
v22
v12 2
代入轮缘功，得到
u22 u12 2
w12 w22 2
v22 v12 2
lf
v22 v12 2
2 dp 1
（总）压缩功等上升很大程度上取决于进出口切线速度的差异，即 u22 u12 2
第二节 叶轮理论
径向扩压器轮盖表面流动痕迹的实物照片
离心叶轮出口
扩压器叶根、叶尖S1流面流线分布
性能特性
一个案例—结论
轴承； 18、止推轴承； 19、隔板； 20、回流器导流叶片； 21、中间冷却吸气管； 22、出气管
第一节 工作过程及性能参数
离心式叶轮机的应用——涡轮增压器
B-17 发动机增压器结构图
第一节 工作过程及性能参数
离心式叶轮机的应用——小型航空发动机
第一节 工作过程及性能参数
离心压气机的典型结构（军用）
轴向进气的进气管 径向进气的进气管 双支承轴承采用的径向吸气室
进气通道 螺旋通道 环形收敛通道
水平进气吸气室 双面进气吸气室
各种型式的吸气室
第三节 固定元件
进气装置
吸气室的筋
第三节 固定元件
扩压器
无叶扩压器
设无叶扩压器 4 3 ，b4 b3，则