4-平面叶栅特性
风机与压缩机教材第十章轴流式压气机
6，进出口马赫数 M w1 ， M c1 ；
Δβ 与扭速 Δwu 有关：
Δ wu ca
=
w1u c1a
− w2u c2a
= ctgβ1 − ctgβ2
二，压气机叶栅的特征 在一定进气条件下，由风洞试验得到叶栅几何参数和气动参数之间关系，常用下面曲 线表示。
第十章 轴流式压气机 现代航空用燃气轮机中多用多级轴流式压气机。主要由于其效率高(>87％），通风面积 小，也可用于大流量工况下运行。其主要结构如图 1 所示，由导向器，轮盘，工作叶片，转 子轴，整流叶片和机壳组成。对于多级轴流压气机，每个级中的流动类似，工作原理相同， 所以可以针对一个级进行研究。在每个级中，可以认为外径和内径沿轴向变化很小，可以认 为气流是沿圆柱表面上的环形叶栅的流动。环形叶栅展开后，可以看成是平面叶栅。每组圆 柱面上的环形叶栅可以认为是一组压气机的基元级。从轮毂至轮缘无数多个基元级组成一个 工作机，即压气机的一级叶轮和整流器。 第一节基元级速度三角形 进口导向器
工作轮
整流器
图 10-1 轴流式压气机
图 10-2 基元级速度三角形 一般多级轴流压气机第一级装有导向器，导向器改变气流进入叶轮的流动方向，产生正
预旋式和反预旋式两种。因而使气流角α1 <900, c1 > c1a , c1u >0 为正预旋，c1u <0(-与 u
的方向相反时为反预选)。 由于气流流经压气机后，压力和密度逐渐增加，由连续方程可知，当叶片高度不变时，
沿着叶高方向随 r 的加大，α1
= arctg
c1a c1u
加大， β1
=
arctg
c1a u1 − c1u
平面亚音扩压叶栅实验.
平面亚音扩压叶栅实验1 实验目的1）通过实验使学生熟悉平面叶栅实验设备和实验方法； 2）作出叶栅攻角特性和叶片表面压力分布曲线3）了解平面叶栅实验在压气机气动设计中的作用和地位。
2 实验内容2.1 平面叶栅的攻角特性气流通过平面扩压叶栅后，其方向要发生转折，气流转折角为β∆。
气流通过叶栅损失的大小可用损失系数ω来表示。
β∆和ϖ随攻角i 和来流马赫数M 1而变化，它们都是i 和M 1的函数。
低速叶栅吹风实验不考虑M 1对叶栅性能的影响，只讨论β∆和ϖ随攻角i 的变化。
叶栅的攻角特性如右图所示。
由图1可以看出，当i 增加时，β∆开始直线上升，几乎不变。
到某一攻角，β∆达到最大值。
攻角再提高，β∆下降很快，ϖ急剧增加，这时叶背气流发生严重分离。
在很大的负攻角情况下，气流在叶盆分离。
β∆的大小反映了叶栅的功增压能力，而ϖ的大小则反映了叶栅有效增压的程度，ϖ表征气流流经平面叶栅发生的机械能损失，叶栅的效率和ϖ有直接关系，压气机设计取β∆＝0.8max β∆为叶栅名义工作点，把不同几何参数叶栅的名义工作点汇集在一起，即得到平面叶栅的额定特性线，这是压气机气动设计的依据。
2.2 叶片表面压力分布叶片表面压力分布以无因次压力系数P 表示1*11P P P P P -=-式中，*1P 、1P 分别为叶栅进口的总压和静压，P 为叶片上任一点的静压。
P 为正值说明叶片上某点的当地速度低于叶栅进口速度，P 为负值表面当地速度大于叶栅进口速度。
典型的叶片表面压力分布曲线如右图所示，横坐标为弦长百分比。
进行叶片表面压力分布实验时，只测量一个攻角（例如5°攻角）的叶片表面压力分布。
同时，还可以改变几个攻角（-10°，10°，18°），观察叶片表面压力分布变化情况，特别要注意大攻角时，叶片表面出现严重分离（失速）现象。
当叶片表面出现分离时，分离点后叶栅不再增压，水排上指示水柱高度不变。
3 实验设备3.1 叶栅风洞图3 平面叶栅实验设备示意图叶栅实验由连续气源供气，气流经过扩压段减速扩压，稳定箱内安装蜂窝器和阻尼网（钢网），消除旋涡，使气流稳定均匀，再经过维他辛斯基曲线的收敛段，使稳定箱出来的气流均匀膨胀加速，造成叶栅进口截面各点压力、速度都相同的一股均匀气流进入叶栅。
叶栅理论 PPT
第二节 翼型受力及等价平板翼栅
一、栅中流动
oxy
讨 论 叶 栅 流 动 时 选 用 随 叶 片 一 起 流 动 的 坐 标 系 ， 设 栅 前 无 穷 远 处 来 流 速 度 为 w1(w1x, w1y) ，栅 后 无 穷 远 处 的 流 速 w 2(w 2x, w 2y) 。由 于 叶 栅 对 流 场 的 作 用，通常栅前、栅后的速度大小和方向都会发生变化，使二者不相等。
2． 空 间 叶 栅 流 经 叶 栅 流 道 的 流 动 是 空 间 流 动 。如 ：混 流 式 水 轮 机 、水 泵 、风 机 的 叶 轮 。
3． 直 列 叶 栅 流面上列线成一无限长直线，为直列叶栅，如：轴流式叶轮叶栅。 4． 环 列 叶 栅 流面上列线为圆周线，为环列叶栅。如：离心式叶轮叶栅为环列叶栅。 5． 不 动 叶 栅 叶栅本身不运动为不动叶栅。如：导叶。 6． 运 动 叶 栅 叶栅本身运动，为运动叶栅。又可以分为移动和转动叶栅。
（ 3）
z1
p1 g
w
2 1
2g
z2
p2 g
w
2 2
2g
（ 4）
z1
z2，
w
2 1
w
2 1x
w
2 1y
，
w
2 2
w
2 2
x
w
2 2
y
，
又
w1x
w 2x ，
代
入
伯
努
利
方
程
，
得：
p1
p2
1 2
(
w
2 2y
w
2 1y
)
（ 5）
Rx,Ry可 表 示 为 ：
R
x
燃气轮机第四章 燃气透平 PPT课件
一、先进的透平材料和涂层
图4-26透平叶片材料发展趋势
图4-27先进涂层及其降温效应
二、叶片的冷却技术
两类冷却方式： 叶根冷却
一类把冷却空气吹向叶片外表进行冷却； 叶片冷却 一类把冷却空气通入叶片内部的专门流道进行冷却。
非常复杂：
叶片整个浸浴在高温燃气中，无法实现外部冷却； 叶片本身尺寸小，形状也较复杂，内部冷却复杂。
采用空气冷却叶片——从压气机引来一定量的空气，使 其流过叶片内部的冷却通道后，排入主燃气流中。
措施：在冷却空气入口处加装滤网；自压气机内径处引来冷 却空气；在动叶顶开清除孔 。
三、透平叶片的闭环蒸汽冷却
从外部引来蒸汽，对透平的静叶和动叶片冷却后再 引至外部，即蒸汽与燃气隔开而不流入燃气中.
优点：
①消除了冷却空气掺入导致的燃气温度降低； ②无冷却空气掺混引起的扰动，消除扰动损失； ③不需要从压气机中引气，减少了抽气损失。
i > 12~15°
用特性曲线定量估算这种影响。
二、透平特性线的表示方法
通常采用相似参数来绘制
以相似参数为坐标绘制的特性线为通用特性， 不受具体参数变化的影响。
qT T3* p3*
n T3*
T
p3* p4*
T
PT T3*
流量相似参数 转速相似参数
Macz
MauBiblioteka 流动相似=几何相似+运动相似+动力相似
04.PDF文档(第四章 轴流式通风机)
第四章 轴流式通风机图4－1为轴流式风机，由集风器1，、叶轮2，、导叶3，、扩散筒4等组成。
叶轮和导叶组成级，轴流通风机，因为压力较低，一般都用单级，例如低压轴流通风机在490Pa 以下，高压轴流通风机一般在4900Pa 以下。
其特点：压力系数低ψ<0.6，流量系数高φ＝0.3～0.6，比转速高n s =18～90(100～500)(单级)全压效率高达η＝90％以上，单向扩散筒的单级风机效率为83～85％。
不过目前轴流风机逐渐向高压发展，例如国际上已造出动叶可调轴流通风机ΔP ＝14210Pa，许多大型离心式风机有被轴流式风机取代的趋势。
图4－1轴流式风机§1 基元级一、基元级上的速度三角形图4－2 轴流式通风机的基元级轴流式通风机的基元级由叶轮和导叶所组成的。
对于不同半径的圆柱面上，由于离心力不同，那么气流的参数是变化的，叶片沿叶高方向(径向)是扭曲的。
为了研究不同半径上的流动，用一圆柱面去切开轴流式通风机，会得到圆柱面上的环形叶删，可以展开成平面叶栅，如图4－2所示，这种平面动叶和导叶所组成的叶栅，称为基元级 与离心通风机一样，在动叶前后形成速度三角形：不过在圆柱面上：u 1 = u 2 = u ，C 1z = C 2z = C z ，ρ1 = ρ2 = ρ(β2 >β1，α2 < α1)对于多级轴流风机，一般要求后导叶出口的流速C 3和气流角α3等于叶轮前的状态C 3 = C 1，α3 =α1可以得出叶流前后平均的相对速度W m 及方向角βmβm = tg(C z / W mu ) (4-1) W mu = u – ΔW u /2 –C 1u (4-2)22muZ W C Wm +=式(5－2)的推导可出图3－2b 时：u = u 1 = u 2 ΔW u = W 1u – W 2u = C 2u - C 1u = ΔC u (4-3) ΔW u 或ΔC u 称为相速。
第四节-叶栅几何尺寸的确定2019
c1
ca 1m
w2 1 mc m a 2m c12 (c c 1 au )2 21 21 um 1cc 1(oc u a1 )s211 m2 cu a 2(1 1 c o m )1s
k 1 k 1
21 x a 2m1 m m2x 1 a c m o1[s m(1 m )kk 1]k1 1
k 1
(1 m )1 (k)
*考虑动叶顶部漏汽积 对比 面的影响： 先计算动叶量 顶 G部 t，的 再漏 求汽 实际 f 的面
复速 级 m3 ： ~8% f n ： f b ： f g ： b f b ' 1 ： ( 1 .6 ~ 1 .4 ) ： ( 2 . 5 6 ~ 2 .3 ) ： ( 4 5 ~ 3 .2 ) 对反动式汽轮 m机 4级 0%， ： f 1.2
c1
1
w2
2 xa2 2xaco1 s m
1m 1m 1m
而 1
(
p1
)
1 n
2 p2
(假定动叶的热多 力变 过过 程 p程 为 常数 )
n
根据级的反动度定义：
1m
hn* ht*
kk1RT0*[1(
p1 p0*
k1
)k ]
kk1RT0*[1(
确定喷嘴出口截 An； 面一 尺M 般 寸 0.8
跨音2） 速当 1： d(0.3~0.4)n或 bc时 r ，仍采用
需A 计 n 、 ； 算 0 一 .8M 般 1 .4
超音速 3）： n或b 0.3时，采用缩放喷嘴，
一种平面叶栅造型方法
一种平面叶栅造型方法
一种平面叶栅造型方法
一种平面叶栅造型方法，也被称为“分段面积截面法”，是指用一系列平行线绘制叶栅图形，分段确定其叶片个数和面积。
首先，在一幅纸上绘制出端点和中心点，然后以端点和中心点一条条往外伸展，就形成一派叶片，在平行于伸展线的6条长线之间，再沿长线起点和终点画出一条短线，与相对应的几条长线成90°夹角，则会形成叶片的确定，按里外的叶栅的比例把框架及叶片画出来。
此外，还可以改变叶片的宽度、比例及形状。
由于制图使用的线条比有限，叶片的形状变化比较有限，但表面的质感也很漂亮，设计出的叶片节点也可以根据实际需要在形状上增加多边形。
此外，该制图方法还具有一定的空间拓展性，可以一直拓展到不同垂直维度上，并且线条和形状结构可以根据需要自由变更，具有较强的图形化表示功能，使图形更加丰富多彩。
通过这种方法可以得到丰富多彩的平面叶栅，较强的对比性又能让图案更加醒目。
2.4级-叶栅-复件讲解
p1
2
1t
c1t 叶栅后气流的静压、理想密度和理想速度
1t c12t
0 ( p0 p1 ) 伯努利方程
结论 叶栅汽道内的压力分布都是不均匀的； 在垂直于汽流方向的任一截面上，叶栅内弧的压力总是 大于背弧的压力； 汽道内沿背弧和内弧的压力变化总趋势是由进口压力降 到出口压力，但压降并不均匀，进口段下降较快，而后放 慢；
存在最佳节距 t opt 使叶型损失最小 冲动式0.55-0.70 的主要因素 1.进汽角的影响：
反动式叶栅： α 0在最佳值90°±30°变化时， 压力曲线变化不大，叶型损失系 数ξ p变化也不大。α 0减小方向 的影响大于增大方向 α 0减小到45°时，背面进口段产 生明显扩压段， ξ p显著增加。 说明减小汽流进口角（正冲角） 造成的叶型损失比负冲角更严重。 冲动式叶栅： 与反动式叶栅相似，但对进汽角 变化更敏感。进汽角14°时，叶型 背面进口段产生明显扩压段，附面 层严重增厚脱离，ξ p增加
四、叶栅的汽动特性
在蒸汽热能转变为轮周功的过程中:
喷嘴损失 动叶损失 余速损失
本节主要讨论: 流动损失，即讨论喷嘴损失和动叶损失产 生的物理原因及影响因素 叶型损失ξ p (汽流绕流平面叶栅时产 生的能量损失) 叶栅的能量损失 端部损失ξ e(汽流流过叶顶及叶根边界 区域时产生的能量损失) 大量试验表明: 损失的主要机理: 通道内附面层厚度与发展.
边界层脱离点
无边界层脱离
边界层脱离
3.尾迹损失 因出口边具有一定厚度 出口边厚度Δ，尾迹损失和Δ/a 成正比（ a 汽道喉部截面宽度） 应尽量减小出口边厚度，减小尾迹损失。 4.冲波损失 某些地方超音速流动—>冲波—> 扩压段—>叶型边界层增厚
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叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
3、叶栅稠度τ： 稠度τ等于弦长和栅距t的比值，即τ=b/t， 表示叶栅相对稠密的程度，也叫叶栅实度。
4、几何进口角β1k和几何出口角β2k ： 分别是中弧线在前缘点A和后缘点B处的切线和 额线的夹角。它们可由叶型的前后缘角X1和X2以及 安装角βy计算出来。这两个角度是确定气流在叶 栅进口处和出口处方向的参考基准。
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
二、原始对称叶型及中弧线 1、原始对称叶型
原始叶型：叠加到弯曲中线之前，叶型厚度沿弦长的分布。 叶型中线与原始对称叶型配合应用。NACA是给出中线的坐 标和斜率，其它用圆弧或抛物线给出。
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
叶轮机械原理
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
1、 中弧线： 叶型内切圆中心的联线为中弧线，简称中线。 2、弦长b： 中弧线与叶型型线的前后缘分别相交于A和B。A和B两点 连线叫弦，弦的长度以b表示，简称弦长。 3、最大挠度（fmax）及其相对位置： 中线到弦的最大距离称为中弧线的最大挠度，此点距前 缘的距离为a，从气体动力学的观点看，具有决定意义的往 往不是绝对值，而是无因次相对值。
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
2、中弧线 （1）圆弧中弧线
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
2、椭圆中弧线
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
二、叶栅中决定叶型位置的几何参数 把叶型排成叶栅时，也有一定的要求。决定叶栅的 几何参数有以下几个：
叶轮机械原理
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
三、平面叶栅的实验研究过程中测量的参数
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
四、平面叶栅的实验研究过程中数据的整理
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
五、平面叶栅的实验 研究得到的结果 叶栅气动性能曲线 1、 2、
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
三、平面叶栅中的气体流动损失
上述分析可知，平面叶栅的流动损失由下列各项组成： （1）附面层内气体的摩擦损失。 （2）在逆压力梯度作用下的附面层分离损失，如图（b）所 示。特别是激波-附面层干扰会加重分离，导致分离损失急 剧增加。 （3）尾迹损失，即叶型上、下表面附面层在后缘汇合而形 成涡流区导致的流动损失，如图（b）所示。 （4）尾迹和主流区的掺混损失，或称尾迹后气流的调匀损 失。由气体动力学可知，速度不等的气流掺合时会发生动量 交换并因此造成损失。 （5）气流流过激波而导致的总压下降。叶栅中出现超声速 区就必定存在激波，图（c）所示为叶栅流中的激波。
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
我们已经对压气机基元级的工作原理作了分析，得 到了基元级速度三角形。接下来的问题是如何设计正 确的叶栅几何形状，使之在尽可能小的损失的情况下， 实现气流的设计流动过程，得到性能良好的基元级。 本章的主要内容包括： 1、叶型和平面叶栅的几何参数 2、平面叶栅的气动参数 3、平面叶栅的实验研究 4、叶栅效率及受力分析
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
叶栅中流动的物理图画
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
如图所示，叶型前缘是一个半径为r1的小圆圆周的一部分，当气 流流到前缘处就分成两段，一股流向叶背，一股流向叶盆，于是 在前缘圆周上就出现了一个分叉点A′。在A′点处的气流不可能 有两个速度，于是A′点的速度应等于零，把A′点称为前驻点。 前驻点A′不一定和前缘点A相重合，而且A′点随来流情况而变， 不是一个固定点。 气流在前驻点分成两股，分别流向叶背和叶盆。由于前缘半径r1 很小，所以曲率就很大，这就造成绕小圆流动时角加速度很大的 加速流动。由于叶背型面为外凸型，叶背的气流达到更高的速度， 由图所示，可能在D点达到声速，在D点以后超声流绕叶背的凸面 流动就会产生膨胀波而继续加速。图中虚线表示膨胀波，点划线 则表示声速线，当达到E点时产生一道激波，波后流速降为亚声速， 并进一步减速至尾缘。
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——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
二、平面叶栅中的气体流动过程
为了运用上述几何参数合理地设计出叶栅通道，以保 证预期的速度三角形的实现，就需要了解平面叶栅中 气流流动的物理图画，以便能够进一步分析几何参数 对于流动过程的影响。 现在以图所示的平面叶栅为例，来研究气体流过叶栅 的物理图画。设此叶栅前方来流马赫数Ma1为0.8左右， 出口马赫数Ma2为0.6左右，来流平行中弧线前缘处的 切线，大体上近似于设计状况的气流方向。
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
平面叶栅攻角特性
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
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——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
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——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
超音速叶栅流动特征
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
叶轮机械原理
——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
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栅后静压对流动的影响
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——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
1k y X1, 2k y X 2
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
§5.2平面叶栅的气动参数
叶栅流场中每一点的流动参数都不相同。但是从总体 或从平均意义上来看，可以沿额线方向在一个栅距内取平 均值，用以代表叶栅的远前方和远后方完全均匀的气动参 数。用1-1截面表示栅前，2-2截面表示栅后，并对气动参 数标以注脚“1”或“2”，则一个叶栅有下列基本气动参数：
叶轮机械原理
——轴流压气机级的流动
叶轮机械原理
——轴流压气机级的流动
叶轮机械原理
——轴流压气机级的流动
叶轮机械原理
——轴流压气机级的流动
通道涡流动
叶轮机械原理
——轴流压气机级的流动
叶轮机械原理
——轴流压气机级的流动
叶轮机械原理
——轴流压气机级的流动
叶轮机械原理
——轴流压气机级的流动
叶轮机械原理
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
叶轮机械原理
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§5.3平面叶栅的实验研究
上述气动参数之间还存在着密切的关系，平面叶栅 实验研究正是研究具有不同几何特征的叶栅在不同的来 流条件和流出条件下的气动性能。如前所述，亚声压气 机设计的基础是平面叶栅的试验结果，下面介绍平面叶 栅的实验研究。
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
4、最大相对厚度及其相对位置e： 叶型的最大厚度用cmax表示，它与前缘的距离为e，应 该用相对值来表示它们的特征。 5、叶型前缘角X1和后缘角X2： 中线在前缘点A和后缘点B处的切线与弦的夹角。 6、叶型弯角： 弯角等于前缘角与后缘角之和，它表示叶型弯曲的程 度，值越大，则叶型弯曲越厉害。 7、叶型型面坐标：叶型的型面通常用坐标来表示。亚声基 元级的叶型坐标通常是选定的原始叶型（由风洞吹风试 验获得的最佳对称叶型厚度沿弦长的分布）覆盖在确定 的中线上获得的。叶型的凸面又称吸力面或叶背，叶型 的凹面又称压力面或叶盆。
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
平面叶栅的气动参数
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
在上述平面叶栅气动参数中： 有的表征来流特征，例如马赫数和进气角； 有的表征气动参数和叶栅几何参数的关系，例如 攻角和落后角； 有的气动参数则表征叶栅气动性能，例如气流转 角和增压比以及损失系数，前者表征叶栅作功潜 力和扩压能力，后者直接影响叶栅效率。 上述气动参数之间还存在着密切的关系，平面 叶栅实验研究正是研究具有不同几何特征的叶栅 在不同的来流条件气动性能。
一、平面叶栅的实验介绍 下图为实验台简图
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
平面叶栅实验台
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——第四章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
二、平面叶栅的实验过程介绍ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在进行平面叶栅试验前，将叶片按照所要求的稠度和 安装角固定在圆盘上，转动叶栅圆盘可以改变来流和 叶栅的相对位置，从而改变攻角，控制气源压气机的 出口总压可以控制来流马赫数Ma1的变化。 对应每一个来流条件，测出并记录栅前和栅后的气动 参数，利用上面讲述的公式算出叶栅性能参数。改变 来流条件并作测量和计算，便可获得叶栅的气动性能 曲线 在低来流马赫数条件下（Ma1<0.4~0.6），叶栅性能只 取决于攻角，被称为平面叶栅的攻角特性或称为平面 叶栅的正常特性。
叶轮机械原理
——第五章 轴流压气机平面 叶栅实验及应用
由于叶盆的形状是凹面， 对应于所列举的来流马赫数 和方向条件下，叶盆上没有 产生局部超声速流动。右图 绘出了该叶栅叶型表面的Ma 数分布图。由图可见，叶背 的速度高，叶盆的速度低， 因此叶背上的静压要比叶盆 上的低。所以，有时也把叶 背叫做吸力面，把叶盆叫做 压力面。