第8次课压气机(1)解析
压气机的热力过程概述和工作原理
二、余隙容积VC对理论耗功的影响
功＝面积12341 ＝面积12561－面积43564
p 5
VC
3
2
设12和3 4两过程n相同
6
Wt
n n 1
p1V1
1
p2 p1
n1 n
4 V3
1 V
V1 V
n n 1
p14V4
1
p23 pp14
n1
n
p2 p3 p1 p4
Wt
n n 1
理想气体热力过程的p-v,T-s图
pT s v
T
sv
n0
p
n0 T
n 1
n 1
1 n k
p
nk
n
nvBiblioteka nk s可能的压气过程
(1)特别快，来不及换热 s n k
(2)特别慢，热全散走 T n 1 (3)实际压气过程 n 1 n k
p
p2
2T
2n
2s
p1
T
2n 2T
1 v
2s p2
p1
1 s
二、 理论耗功
以p1=0.1MPa，p2=2.5MPa， =0.04 计算。
单级压缩 二级压缩
1
1
V 1 n 1 1 0.04 251 1 0.04
l h
p2 5 p1
1 2
V V ,l V ,h 1 0.04 51 1 0.706
例题1
活塞式压气机把0.1MPa，298K的空气加压到2.5MPa。 试
1
0.525
二级压缩，中间冷却
若取 pa 0.2MPa
l
pa p1
0.2 0.1
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
第8次课 压气机(1)
10
航空发动机原理和结构
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11
航空发动机原理和结构
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12
航空发动机原理和结构
混合式
在中、小型发动机上，轴流式和离心式组 成混合压气机，发挥了离心压气机单级增压比 高的优点，避免了轴流式压气机叶片高度很小 时损失增大的特点。
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13
航空发动机原理和结构
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14
航空发动机原理和结构
第二节 轴流式压气机工作原理
压气机的功用是为了提高气体的压力，为燃气膨胀做 功创造条件，使燃料燃烧后发出的热能更好地被利用， 提高发动机的热效率，改善经济性和增大发动机的推力。
气体在压气机内进行的是压缩过程。在这个过程中， 一方面要提高增压能力；另一方面要设法减少各种流动 损失。
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25
航空发动机原理和结构 1）空气在工作叶栅内的流动情形
夹角β②叫“气流出口角”。由图 可看出，β②＞β①。根据质点复合运 动规律，空气在叶轮出口的绝对速度c ②可以由下式求出：
c②=w②＋u
由上式中3个速度组成的三角型 叫做叶轮“出口速度三角型”。
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26
航空发动机原理和结构
整流环的静叶将气流的方向重新偏转到接近轴向方向，
为下一级的动叶提供合适的进气方向。静叶的气流通道沿
流向是扩张的，亚声速气流在扩张的静叶流道中进一步减
速和增压。
c22 c32
2
3 2
dpL损
在整流环中，气流绝对速度减小，将绝对速度动能用来
克服整流环内的流动损失和做了多变压缩功；把空气的压
力由p2提高到p3，温度也得到提高。
应用于教练机，导弹、靶机等的小型动力装置 和飞机辅助动力装精选置版中课件。ppt
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
第8次课 压气机 PPT
主要内容
第一节 概述 第二节 轴流式压气机工作原理 第三节 压气机构造 第四节 压气机附属装置 第五节 离心式压气机
第一节 概述 一、压气机功用
对流过它的空气进行压缩，提高空气的压力，
供给发动机工作时所需要的压缩空气。也可以为
坐舱增压、涡轮散热和其他发动机的起动提供压
缩空气。
1、评价指标
根据运动速度分解与合成的的原理，质点的绝对运动 速度可看做由相对速度和牵连速度合成，即：
c=w+u
式中： c——绝对速度，以大地为参照点，观察到得气流速度； w——相对速速，，以旋转的工作叶轮为参照点，观察到 的空气流过工作叶轮的速度 u——牵连速度，是以大地为参照点，观测到的工作叶轮 的旋转切向速度。
离心式压气机
轴流式压气机
基
本
空气在工作叶轮内基本沿发动机的轴线方
类
向流动。WP6，WP8，WP7， WP13，斯贝
型 混合式压气机。ALF502
3、压气机分类
根据转子的数目： 单转子——WP6，WP8 双转子——WP7，WP13，斯贝 三转子
增压比、效率、外廓尺寸和重量、工作可靠 性、制造和维修费用。
2、对压气机设计的基本要求：
1）满足发动机性能的各项要求，性能稳定， 稳定工作范围宽； 2）具有足够的强度、适宜的刚度和更小的 振动； 3）结构简单，尺寸小，重量轻； 4）工作可靠，寿命长； 5）维修性、检测性好，性能制造成本比高。
3、压气机分类
轴流式
具有增压比高，效率高，单位面积空气质 量流量大，迎风面积小等优点，在相同的 外廓尺寸下可获得更大的推力。
混合式
在中、小型发动机上，轴流式和离心式组 成混合压气机，发挥了离心压气机单级增压比 高的优点，避免了轴流式压气机叶片高度很小 时损失增大的特点。
压气机知识
压气机的特性认识通过这学期的课堂学习和近段时间课下查资料学习，使我对压气机的知识有了一定的了解和认识。
压气机是燃气涡轮发动机的重要部件之一，它的作用是给燃烧室提供经过压缩的高压、高温气体。
根据压气机的结构和气流流动特点，可以把它分为两种主要型式：轴流式压气机和离心式压气机。
首先，我们了解下轴流压气机的结构和工作特性。
轴流式压气机由两大部分组成，与压气机旋转轴相联接的轮盘和叶片构成压气机的转子，外部不转动的机匣和与机匣相联接的叶片构成压气机的静子。
转子上的叶片称为动叶，静子上的叶片称为静叶。
每一排动叶和紧随其后的一排静叶构成轴流式压气机的一级。
压气机的效率高，说明压缩过程中的流阻损失小，实际过程接近理想过程。
或者说，压气机效率愈高，达到相同增压比时，所需要外界输入的机械功愈少。
目前，单级轴流压气机的绝热效率可以达到90％以上，高增压比的多级轴流压气机的绝热效率也可以达到85％以上。
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，且每级的工作原理大致相同，因此我们可以通过研究压气机的一级来了解其工作原理。
轴流压气机的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。
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（如图1－1），在二维平面上研究压气机基元级的工作原理。
图1－1展开成平面的基元级速度三角形在研究压气机工作特性中有着重要的作用。
将动叶进口和动叶出口的速度三角形叠加画到一起，就可以得到基元级的速度三角形，如图1－2（a）所示。
在一般亚声速流动的情况下，气流经过基元级的动叶和静叶后，绝对速度的周向分量Cu和相对速度的周向分量Wu 变化比较大，而绝对速度的轴向分量Ca和相对速度的轴向分量w a变化不大，可近似地认为Ca1=Ca2=Ca3。
这样，基元级的速度三角形可进一步化简为图1－2(b)所示形式。
通过速度三角形我们就可以对压气机中气体流动情况进行分析。
第八章 压气机的热力过程 刘英光
Vc Vh
余隙容积百分比（余容 比）
容积效率（volumetric efficiency）
Vcs V1 V4 V3 V4 V 1 1 Vh V1 V3 V1 V3 V3
1 Vc 1 n n 1 1 1 1 Vh
若取
pa 0.2MPa
n 1 n
1.251 1.25
pa 0.2 MPa 2.5 MPa l 2、 h 12.5 p1 0.1 MPa 0.2 MPa
Ta T
n 1 n 1 l
342.3 K 69.3 C
T2 T
n 1 n 1 h
493.8 K 220.8 C
即：余隙对单位产气量的理论耗功无影响
即余隙对理论耗功无影响（压缩同样数量的气体，必须 使用较大气缸的机器，实际上还是使耗功增大）。 归纳： 余隙存在使 1）生产量下降 2）实际耗功增大 有害容积
8–4 多级压缩和级间冷却
一、多级压缩
工程上需要高压气体， 但压缩过程中随 p 升高 T 升高；V 下降。为使
3.多变压缩
n 1 n n wC,n p1v1 1 n 1
讨论： a）
wC,s wC,n wC,T
理想压缩是 等温压缩
T2 s T2n T2T v2s v2n v2T
wCn T2 n v2 n
b）通常为多变压缩, 1<n<κ
n
思考题：
p b p2 2
对于理想气体:
wc vdp
1 2
0 1
a
p1
2'
V2
工程热力学思考题答案,第八章
第八章压气机的热力过程1、利用人力打气筒为车胎打气时用湿布包裹气筒的下部,会发现打气时轻松了一点,工程上压气机缸常以水冷却或气缸上有肋片,为什么？答:因为气体在压缩时,以等温压缩最有利,其所消耗的功最小,而在人力打气时用湿布包裹气筒的下部或者在压气机的气缸用水冷却,都可以使压缩过程尽可能的靠近等温过程,从而使压缩的耗功减小。
2、既然余隙容积具有不利影响,就是否可能完全消除它？答:对于活塞式压气机来说,由于制造公差、金属材料的热膨胀及安装进排气阀等零件的需要,在所难免的会在压缩机中留有空隙,所以对于此类压缩机余隙容积就是不可避免的,但就是对于叶轮式压气机来说,由于它就是连续的吸气排气,没有进行往复的压缩,所以它可以完全排除余隙容积的影响。
3、如果由于应用气缸冷却水套以及其她冷却方法,气体在压气机气缸中已经能够按定温过程进行压缩,这时就是否还需要采用分级压缩？为什么？答:我们采用分级压缩的目的就是为了减小压缩过程中余隙容积的影响,即使实现了定温过程余隙容积的影响仍然存在,所以我们仍然需要分级压缩。
4、压气机按定温压缩时,气体对外放出热量,而按绝热压缩时不向外放热,为什么定温压缩反较绝热压缩更为经济？答:绝热压缩时压气机不向外放热,热量完全转化为工质的内能,使工质的温度升高,压力升高,不利于进一步压缩,且容易对压气机造成损伤,耗功大。
等温压缩压气机向外放热,工质的温度不变,相比于绝热压缩气体压力较低,有利于进一步压缩耗功小,所以等温压缩更为经济。
5、压气机所需要的功可从第一定律能量方程式导出,试导出定温、多变、绝热压缩压气机所需要的功,并用T-S 图上面积表示其值。
答:由于压缩气体的生产过程包括气体的流入、压缩与输出,所以压气机耗功应以技术功计,一般用w c 表示,则w c = -w t由第一定律:q=△h+w t ,定温过程:由于T 不变,所以△h 等于零,既q=w t ,q=T △s,21ln p p R s g =∆,则有12ln p p T R w g c = 多变过程:w c = -w t =△h-q()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=---=-111111111112112112n n g g V P P T R n n T T T R n n T T c n n q κκκκκ ()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-=∆-1111112112112n n g g p p p T R T T T R T T c h κκκκ 所以⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-111121n n g c p p T R n n w 绝热过程:即q=0,所以⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∆=-=-111121n n g t c p p T R h w w κκ 6、活塞式压气机生产高压气体为什么要采用多级压缩及级间冷却的工艺？答:由于活塞式压气机余隙容积的存在,当压缩比增大时,压气机的产气量减小,甚至不产气,所以要将压缩比控制在一定范围之内,因此采用多级压缩,以减小单级的压缩比。
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损失。
航空发动机原理和结构
一、空气在轴流式压气机内的流动情形
多级轴流式压气机是由若干个单机压气机组成的。如图
6-1所示。由一排旋转的工作叶片所组成的轮子叫叶轮；由 一排静止的整流叶片所组成的圆环叫整流环。一个叶轮和 一个整流环组成轴流式压气机的一个单级，它是多级轴流 式压气机的基本单元。
图6－1
多级轴流压气机
7
航空发动机原理和结构
8
航空发动机原理和结构
9
航空发动机原理和结构
轴流式
具有增压比高，效率高，单位面积空气质
量流量大，迎风面积小等优点，在相同的 外廓尺寸下可获得更大的推力。
10
航空发动机原理和结构
11
航空发动机原理和结构
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航空发动机原理和结构
混合式
在中、小型发动机上，轴流式和离心式组 成混合压气机，发挥了离心压气机单级增压比 高的优点，避免了轴流式压气机叶片高度很小 时损失增大的特点。
航空发动机原理和结构
一、空气在轴流式压气机内的流动情形
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的 一级来了解其工作原理。
航空发动机原理和结构
一、空气在轴流式压气机内的流动情形
1、基本假设
（1）空气流过压气机时，为绝热 流动。 （2）当压气机工作状态一定时， 气体为稳定流动。 （3）压气机同一截面上的各点参 数值相同。
航空发动机原理和结构
航空发动机核心机
压 气 机
1
航空发动机原理和结构
主要内容
第一节 概述
第二节 轴流式压气机工作原理
第三节 压气机构造
第四节 压气机附属装置
第五节 离心式压气机
2
航空发动机原理和结构
第一节 概述 一、压气机功用
对流过它的空气进行压缩，提高空气的压力，
供给发动机工作时所需要的压缩空气。也可以为
由于叶轮式以一定的转速作旋转运动，因此，气流流 经叶轮时的运动情况比较复杂，其运动是质点的复合运动。 根据运动速度分解与合成的的原理，质点的绝对运动 速度可看做由相对速度和牵连速度合成，即：
c=w+u
式中： c——绝对速度，以大地为参照点，观察到得气流速度； w——相对速速，，以旋转的工作叶轮为参照点，观察到 的空气流过工作叶轮的速度 u——牵连速度，是以大地为参照点，观测到的工作叶轮 的旋转切向速度。
线运动的速度。因此，空气对叶轮的相
对速度是w①。空气以相对速度w①斜向 进入叶轮。根据速度合成定理，相对速 度w①是绝对速度c①与牵连速度u的矢量 差： w①=c①-u
航空发动机原理和结构 1）空气在工作叶栅内的流动情形
在压气机中，气流进入叶轮的三个 速度组成的三角型叫做叶轮“进口速度 三角型”，夹角β①叫气流进口角。在 设计工作状态下，w①方向应与叶片前 缘方向（即叶片的中弧线前缘切线方向 ）一致。空气以相对速度w①进入叶轮 后，经过由叶片组成的弯曲扩张型通道 ，流动方向逐渐改变，相对速度逐渐减 小，最后顺着弯曲的叶片通道以相对速 度w②自叶轮流出。
图6－2
基元级
压气机同一截面上的实际流动情形沿叶高是稍有差别 的，但以平均半径处的流动情况最具有代表性。为研究方 便，将每一单级压气机分成3个截面，如图6－2所示。
航空发动机原理和结构
一、空气在轴流式压气机内的流动情形
①－①:叶轮进口截面 ②－②:整流环进口截面，即 叶轮出口截面 ③－③: 整流环出口截面， 即后一级叶轮进口截面
图6－2 基元级
级的外径Dt 径向间隙δ
级的内径Dh 轴向间隙Δ
航空发动机原理和结构 一、空气在轴流式压气机内的流动情形
为更加清楚地认识轴流压气机如何对气体进行加功和增
压的工作过程和原理，将轴流式压气机的一级作进一步的
分解和化简。化简的方法：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，如图6－3和图6－4所示。并将所得的切面展成 平面，则成如图所示情形，这样的平面叫做“平面叶栅”。
4
航空发动机原理和结构
3、压气机分类
压 气 机 基 本 类 型 离心式压气机 空气在工作叶轮内沿远离叶轮旋转中心的 方向流动。WP5 轴流式压气机 空气在工作叶轮内基本沿发动机的轴线方 向流动。WP6，WP8，WP7， WP13，斯贝 混合式压气机。ALF502
5
航空发动机原理和结构
3、压气机分类
航空发动机原理和结构 一、空气在轴流式压气机内的流动情形
平面叶栅的形状是沿叶高变化的，
把平均半径处的平面叫做“基元级”。 某级压气机平均半径处的圆周速度为u， 则基元级转子的叶栅将以u的速度作等 速平移运动。
图6－3 圆柱面上的基元级
图6－4
平面叶栅
航空发动机原理和结构 2、空气在基元级内的流动情形 1）空气在工作叶栅内的流动情形
13
航空发动机原理和结构
14
航空发动机原理和结构
第二节 轴流式压气机工作原理
压气机的功用是为了提高气体的压力，为燃气膨胀做
功创造条件，使燃料燃烧后发出的热能更好地被利用， 提高发动机的热效率，改善经济性和增大发动机的推力。 气体在压气机内进行的是压缩过程。在这个过程中， 一方面要提高增压能力；另一方面要设法减少各种流动
根据转子的数目： 单转子——WP6，WP8 双转子——WP7，WP13，斯贝 三转子 本课程主要研究轴流式压气机结构，对离心式和
混合式只做一般介绍。
航空发动机原理和结构
离心式
优点： 具有结构简单、工作可靠、稳
定工作范围较宽、单级增压比高； 缺点： 迎风面积大，难以获得更高的
总增压比。 应用于教练机，导弹、靶机等的小型动力装置 和飞机辅助动力装置中。
坐舱增压、涡轮散热和其他发动机的起动提供压
缩空气。
1、评价指标
增压比、效率、外廓尺寸和重量、工作可靠 性、制造和维修费用。
3
航空发动机原理和结构
2、对压气机设计的基本要求：
1）满足发动机性能的各项要求，性能稳定， 稳定工作范围宽； 2）具有足够的强度、适宜的刚度和更小的 振动； 3）结构简单，尺寸小，重量轻； 4）工作可靠，寿命长； 5）维修性、检测性好，性能制造成本比高。
航空发动机原理和结构 2、空气在基元级内的流动情形 1）空气在工作叶栅内的流动情形 这3种运动速度之间的关系可以用速度三角形表示为：
w
c u
或
c u
w
速度三角形
航空发动机原理和结构 1）空气在工作叶栅内的流动情形
空气以绝对速度c①流入叶轮；而牵连 速度就是叶轮旋转的圆周速度，即平面 叶栅中以圆周速度u的大小作作等速直