叶轮机械原理5
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来流Ma数对超声速叶栅流动特征的影响
第三章 轴流压气机的工作原理
当来流 M继a1续增大，外伸激波和槽道激波会变得
很斜，叶栅内部和出口都有可能是超声速流动，表 明叶栅出口反压对于这时的 来M说a1 太低了。
第三章 轴流压气机的工作原理
来流方向对超声速叶栅流动特征的影响
第三章 轴流压气机的工作原理
（1）端区附面层流动
•在端壁角区，端壁附面层和叶 片表面附面层中低能气体的相 互阻滞;
•角区的附面层增长很快，使得 角区比其它区域更加容易产生 流动分离。
第三章 轴流压气机的工作原理
（2）径向间隙流动
倒流
泄漏流
倒流和泄漏流会改变间隙附近气流的出气方向，使该部位 压气机的加功和增压能力下降、效率下降
第三章 轴流压气机的工作原理
•正激波脱体，正激 波强度大；
•斜激波贴体，斜激 波强度弱。
第三章 轴流压气机的工作原理
超声速叶栅流动特征：
•在来流相对速度超声速而其轴向速度分量为亚声速的情 况下，由叶片引起的对流场的扰动可以传播到叶栅进口额 线以前
•叶片前缘表面产生的激波、膨胀波和弱压缩波具有调整 气流方向的功能，使气流趋向于平行于叶片表面流动。这 样，激波和膨胀波系后的叶型只工作于一个攻角，即唯一 攻角
第三章 轴流压气机的工作原理
（4）叶片表面附面层潜移流动
动叶表面附面层内的潜流
•流场中沿半径方向存在着与气体微团运动时周向分速度 c产u
生的离心力 c相u2 平衡的压力梯度;
r
•动叶表面的气体微团可以看成是和叶片“粘”在一起旋转，
离
u2
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。
通道涡使静叶的出口气流角沿叶高的分布不均匀，出现过转 （落后角< 0）和亏转（落后角>平均落后角）现象。
第三章 轴流压气机的工作原理
•动叶中的通道涡也是由压 力面附近高静压的气体通过 端壁附面层流向吸力面而产 生的。
•动叶尖部的间隙涡与尖部 通道涡的旋向相反，二者之 间有相互抑制作用，
动叶叶栅的通道涡和间隙涡
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
静子叶栅的通道涡
•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;
第三章 轴流压气机的工作原理
第六节 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
一、亚音压气机一级中的流动特征
•流场中的三维激波形面与动叶前 缘的空间走向以及叶片型面沿展向 的变化密切相关。
•空间激波形面的三维性造成流动的 三维性增强。
•内 、 外 流 道 半 径 的 变 化 造 成 端 区 流动的三维性强。
•从平面叶栅二维流动实验中总结 出来的经验和规律，在超、跨声速 动叶设计中的适用性大为降低。
第三章 轴流压气机的工作原理
二、超、跨声速级（动叶）流动特征
•超、跨声速压气机级一般出现在压气机的进口级；
•超声速压气机级是指动叶从叶根到叶尖的来流相对 M都w1 大于1.0。
•跨声速压气机级是指动叶叶尖的 M 大w1 于1.0，叶根 的 M 小w1 于1.0。
第三章 轴流压气机的工作原理
（1）流动的三维性强
第三章 轴流压气机的工作原理
•流动处于堵塞状态（反压 变化的信息不能前传至槽 道激波前的超音区）；
•来流轴向速度分量为亚声 速；
•激波附体（流量不随反压 变化）。
第三章 轴流压气机的工作原理
•存在中和点B（E）及中 和特征线。 •气流经过BC段＋DE段 膨胀波时的折转角与气 流通过叶片2的外伸激波 时的折转角大小相等、 方向相反。
第三章 轴流压气机的工作原理
第三章 轴流压气机的工作原理
减少D点以前的型面转折角度数 ，可以降低D点处的 Ma数，从而可有效降低激波造成的流动损失。
方法是将叶型的吸力面进口段设计成：
•小转折角(多圆弧叶型)
Ma1 < 1.2～ 1.6
•零转折角（平直进口段叶型）
•负转折角的型面（预压缩叶型） Ma1> 1.6
•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。
第三章 轴流压气机的工作原理
静子叶栅的通道涡
•通道涡的特点是成对出现， 旋向相反，各占叶栅通道 的一半
•叶片的弯度越大，所形成 的通道涡越强烈
第三章 轴流压气机的工作原理
h
0.50
0.25
0.00
80
k
1002
第三章 轴流压气机的工作原理
（5Hale Waihona Puke Baidu二次流动损失
•在叶轮机领域，通常将与主流区流动方向不一致的流动（倒流、 潜流、泄漏流和通道涡）称为二次流动，由二次流动造成的损失 被称为二次流损失。
•一级的流动损失除基元级损失（叶型损失）外，新增损失主要 集中在叶根、叶尖两个端区。
•设计轴流压气机，可在动叶的端区多安排一些加功量，抵消端 区流动损失大的影响，使压气机出口的总压沿叶高接近一致。
第三章 轴流压气机的工作原理
（来流Mw1不变）
反压 对p2超声速叶栅流动特征的影响
第三章 轴流压气机的工作原理
a、反压降低
b、反压提高
激波脱体后，反压的信息能够前传，滞止流线的位 置开始下移，激波造成的总压损失增大和槽道激波处 流通面积的减小使得流量开始减小；
第三章 轴流压气机的工作原理
（反压p2不变）
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 轴流压气机的工作原理
当来流 M继a1续增大，外伸激波和槽道激波会变得
很斜，叶栅内部和出口都有可能是超声速流动，表 明叶栅出口反压对于这时的 来M说a1 太低了。
第三章 轴流压气机的工作原理
来流方向对超声速叶栅流动特征的影响
第三章 轴流压气机的工作原理
（1）端区附面层流动
•在端壁角区，端壁附面层和叶 片表面附面层中低能气体的相 互阻滞;
•角区的附面层增长很快，使得 角区比其它区域更加容易产生 流动分离。
第三章 轴流压气机的工作原理
（2）径向间隙流动
倒流
泄漏流
倒流和泄漏流会改变间隙附近气流的出气方向，使该部位 压气机的加功和增压能力下降、效率下降
第三章 轴流压气机的工作原理
•正激波脱体，正激 波强度大；
•斜激波贴体，斜激 波强度弱。
第三章 轴流压气机的工作原理
超声速叶栅流动特征：
•在来流相对速度超声速而其轴向速度分量为亚声速的情 况下，由叶片引起的对流场的扰动可以传播到叶栅进口额 线以前
•叶片前缘表面产生的激波、膨胀波和弱压缩波具有调整 气流方向的功能，使气流趋向于平行于叶片表面流动。这 样，激波和膨胀波系后的叶型只工作于一个攻角，即唯一 攻角
第三章 轴流压气机的工作原理
（4）叶片表面附面层潜移流动
动叶表面附面层内的潜流
•流场中沿半径方向存在着与气体微团运动时周向分速度 c产u
生的离心力 c相u2 平衡的压力梯度;
r
•动叶表面的气体微团可以看成是和叶片“粘”在一起旋转，
离
u2
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。
通道涡使静叶的出口气流角沿叶高的分布不均匀，出现过转 （落后角< 0）和亏转（落后角>平均落后角）现象。
第三章 轴流压气机的工作原理
•动叶中的通道涡也是由压 力面附近高静压的气体通过 端壁附面层流向吸力面而产 生的。
•动叶尖部的间隙涡与尖部 通道涡的旋向相反，二者之 间有相互抑制作用，
动叶叶栅的通道涡和间隙涡
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
静子叶栅的通道涡
•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;
第三章 轴流压气机的工作原理
第六节 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
一、亚音压气机一级中的流动特征
•流场中的三维激波形面与动叶前 缘的空间走向以及叶片型面沿展向 的变化密切相关。
•空间激波形面的三维性造成流动的 三维性增强。
•内 、 外 流 道 半 径 的 变 化 造 成 端 区 流动的三维性强。
•从平面叶栅二维流动实验中总结 出来的经验和规律，在超、跨声速 动叶设计中的适用性大为降低。
第三章 轴流压气机的工作原理
二、超、跨声速级（动叶）流动特征
•超、跨声速压气机级一般出现在压气机的进口级；
•超声速压气机级是指动叶从叶根到叶尖的来流相对 M都w1 大于1.0。
•跨声速压气机级是指动叶叶尖的 M 大w1 于1.0，叶根 的 M 小w1 于1.0。
第三章 轴流压气机的工作原理
（1）流动的三维性强
第三章 轴流压气机的工作原理
•流动处于堵塞状态（反压 变化的信息不能前传至槽 道激波前的超音区）；
•来流轴向速度分量为亚声 速；
•激波附体（流量不随反压 变化）。
第三章 轴流压气机的工作原理
•存在中和点B（E）及中 和特征线。 •气流经过BC段＋DE段 膨胀波时的折转角与气 流通过叶片2的外伸激波 时的折转角大小相等、 方向相反。
第三章 轴流压气机的工作原理
第三章 轴流压气机的工作原理
减少D点以前的型面转折角度数 ，可以降低D点处的 Ma数，从而可有效降低激波造成的流动损失。
方法是将叶型的吸力面进口段设计成：
•小转折角(多圆弧叶型)
Ma1 < 1.2～ 1.6
•零转折角（平直进口段叶型）
•负转折角的型面（预压缩叶型） Ma1> 1.6
•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。
第三章 轴流压气机的工作原理
静子叶栅的通道涡
•通道涡的特点是成对出现， 旋向相反，各占叶栅通道 的一半
•叶片的弯度越大，所形成 的通道涡越强烈
第三章 轴流压气机的工作原理
h
0.50
0.25
0.00
80
k
1002
第三章 轴流压气机的工作原理
（5Hale Waihona Puke Baidu二次流动损失
•在叶轮机领域，通常将与主流区流动方向不一致的流动（倒流、 潜流、泄漏流和通道涡）称为二次流动，由二次流动造成的损失 被称为二次流损失。
•一级的流动损失除基元级损失（叶型损失）外，新增损失主要 集中在叶根、叶尖两个端区。
•设计轴流压气机，可在动叶的端区多安排一些加功量，抵消端 区流动损失大的影响，使压气机出口的总压沿叶高接近一致。
第三章 轴流压气机的工作原理
（来流Mw1不变）
反压 对p2超声速叶栅流动特征的影响
第三章 轴流压气机的工作原理
a、反压降低
b、反压提高
激波脱体后，反压的信息能够前传，滞止流线的位 置开始下移，激波造成的总压损失增大和槽道激波处 流通面积的减小使得流量开始减小；
第三章 轴流压气机的工作原理
（反压p2不变）
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。