3-轴流压气机原理
轴流式压气机的工作原理
轴流式压气机的工作原理
轴流式压气机是一种常见的流体机械，它主要通过对流动气体的动能进行转换来实现对气体的压缩。
轴流式压气机的工作原理如下：
1. 气体进入压气机通过进气口，进入压气机中的转子。
2. 转子上安装有一系列的叶片，这些叶片呈倾斜角度，使得气体在通过叶片时产生一个向前的推力。
3. 气体在经过叶片时，受到叶片的作用力，产生一个向前的冲力。
这个冲力使得气体的速度增加，同时也增加了气体的动能。
4. 当气体通过转子时，气体被推入下一个叶片组，重复上述的过程。
这样，气体在不断的通过叶片组，速度逐渐增加，并且产生了连续的推力。
5. 在气体通过压气机后，气体的动能转化为压力能，实现了气体的压缩。
此时，气体会通过出口口排出。
值得注意的是，轴流式压气机的工作原理与离心式压气机有所不同。
轴流式压气机通过叶片的作用将气体推向前进方向，而离心式压气机则通过离心力使得气体沿着轴线方向扩散。
由于工作原理的不同，轴流式压气机通常适用于需要高流量、低压比的应用，而离心式压气机则适用于需要高压比的应用。
轴流式压气机工作原理
轴流式压气机工作原理
轴流式压气机是一种常见的压缩空气设备，其工作原理可以简单描述如下：
轴流式压气机由套筒形外壳、转子和定子等组成。
外壳中央设有一轴向进气口和出气口，内部则安放有多个叶片形状不同的转子和定子。
进气口处的空气经过导向器，进入第一级叶轮。
叶轮由轴驱动，高速旋转，使空气产生离心力。
离心力使空气由轴向进气口向外发散。
离心力将空气推向下一个叶轮，再次产生离心力作用，使空气压缩并加速。
这样从第一级叶轮到最后一级叶轮，空气经过多次加速、压缩，进一步提高了压缩比和压缩气体的温度。
最后，压缩后的空气从出气口排出。
在整个过程中，压缩机的转子和定子配合紧密，使空气不断地被压缩、加速，并最终以高压形式排出。
轴流式压气机的工作原理主要依靠转子和定子之间的高速旋转和叶片的设计。
其主要特点是空气流动方向与压缩机的轴线平行。
相比其他类型的压气机，轴流式压气机具备体积小、结构简单、效率高等优点，可广泛应用于压缩空气或其他气体的供给与输送。
轴流压气机原理
高速旋转的叶片可能发生振动，导致叶片断裂或设备损坏。 解决方案包括优化叶片设计、加强设备刚度和改善气流稳 定性等。
结垢与磨损
在工业应用中，轴流压气机可能因吸入的灰尘、颗粒物等 导致结垢和磨损问题。解决方案包括定期清洗和维护、加 强过滤措施和使用耐磨材料等。
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轴流压气机原理
目录 CONTENT
• 轴流压气机概述 • 轴流压气机的工作流程 • 轴流压气机的结构与组成 • 轴流压气机的性能与优化 • 轴流压气机的应用与实例
01
轴流压气机概述
定义与特点
定义
轴流压气机是一种将空气或其他 气体压缩的机械设备，其气流方 向与转子旋转轴大致平行。
特点
轴流压气机具有较高的压缩效率 ，适用于大流量、低增压比的场 合，如航空发动机、燃气轮机等 。
01 02 03 04
密封结构用于防止空气在压气机内部泄漏，保证压缩过程的效率。
支承结构用于固定和支撑转子，确保其稳定运转，同时吸收振动和传 递扭矩。
密封和支承结构的设计需考虑机械强度、耐久性和维护性，以确保压 气机的长期稳定运行。
随着技术的发展，现代轴流压气机采用先进的密封和支承技术，以提 高性能和降低维护成本。
静子
静子是轴流压气机的固定部件 ，主要包括机壳、进气口和出
气口等部分。
静子的作用是引导空气流动， 确保气流在压气机中的流动路 径正确，同时将压缩后的空气
导出。
静子的设计需充分考虑空气动 力学原理，以减少流动损失和 阻力。
静子的制造材料和工艺对于压 气机的性能和使用寿命具有重 要影响。
密封和支承结构
气流进入
空气通过进气道进入压气 机，进气道的设计应确保 气流均匀、稳定地进入压 气机。
第三章 轴流压气机工作原理
第三章 轴流压气机的工作原理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。
本章论述轴流式压气机的基本工作原理，重点介绍压气机基元级和压气机一级的流动特性及工作原理。
第一节 轴流压气机的增压比和效率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（包括动叶安装盘）和紧随其后的一排静叶（包括机匣）构成轴流式压气机的一级。
图3－1为一台10级轴流压气机，在第一级动叶前设有进口导流叶片（静叶）。
图3－1 多级轴流压气机压气机的增压比定义为 ***=1p p k k π （3－1） *k p ：压气机出口截面的总压；*1p ：压气机进口截面的总压；*号表示用滞止参数（总参数）来定义。
依据工程热力学有关热机热力循环的理论，对于燃气涡轮发动机来讲，在一定范围内，压气机出口的压力愈高，则燃气涡轮发动机的循环热效率也就愈高。
近六十年来，压气机的总增压比有了很大的提高，从早期的总增压比3.5左右，提高到目前的总增压比40以上。
图3－2 压气机的总增压比发展历程压气机的绝热效率定义为***=k adkkL L η （3－2） 效率公式定义的物理意义是将气体从*1p 压缩到*2p ，理想的、无摩擦的绝热等熵过程所需要的机械功*adk L 与实际的、有摩擦的、绝热熵增过程所需要的机械功k L *之比。
p 1*p k*1k adkL *k L *ad ksh *图3－3 压气机热力过程焓熵图 由热焓形式能量方程（2－5）式、绝热条件、等熵过程的气动关系式)1(11)(k k adk adk p p T T -****=和R k k c p 1-=可以得到 )1(1)(111--=-=-****k k k adk p adk RT k k T T c L π （3－3） )1(1)(111--=-=******T T RT k k T T c L k k p k （3－4） 将（3－3）和（3－4）式代入到（3－2）式，则得到1111--=**-**T T k k k k k πη （3－5）效率公式（3-5）式可以用来计算多级或单级压气机的绝热效率，也可以用来计算单排转子的绝热效率，只要*k p 和*k T 取相应出口截面处值即可。
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能源行业
了解轴流压气机在能源行业中 的重要性，包括发电厂和石油 工业。
持续创新
展望轴流压气机的未来发展趋 势，包括模拟和数字技术的应 用。
影响性能的因素
1 叶片设计
2 进气流动特性
3 工作环境
解析叶片的设计和材料如何 影响压Байду номын сангаас机的性能和效率。
探讨进气流动的各种因素， 如速度、压力和温度对性能 的影响。
介绍温度、湿度和海拔等因 素如何影响压气机的性能和 适应性。
应用领域和前景展望
航空工程
探索轴流压气机在飞机和直升 机中的应用，以及对未来航空 技术的潜在影响。
压气机的构成和分类
• 说明轴流压气机的构成，包括压气机的主要部件和它们的功能。 • 介绍不同类型的轴流压气机，例如单级和多级压气机。
轴流压气机工作过程
1
压缩过程
2
介绍压气机如何将进入的空气压缩，并增
加其压力和温度。
3
进气过程
解析空气进入压气机的过程，包括进气口 和压气机的特殊设计。
排气过程
解释压缩后的空气从压气机排出的过程， 并探索排气系统的重要性。
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了解轴流压气机的原理和工作过程，探索其构成和分类，以及应用领域和前 景展望。
原理概述
通过对轴流压气机的探索，了解其在航空工程中的重要性以及如何实现高效 的空气压缩。
轴流压气机的定义
介绍轴流压气机的定义和它在航空和工业领域中的应用。
工作原理简介
详细说明轴流压气机的工作原理，包括空气流动和叶片的作用。
轴流式压气机的工作原理
轴流式压气机的工作原理轴流式压气机是一种常用于空气压缩和气体传输的设备，具有高效率、结构简单、体积小等优点。
它的工作原理主要涉及压力能量、动能和转动能量的转化过程。
轴流式压气机的工作原理基本上分为4个步骤：进气、压缩、扩散和排气。
第一步，进气：气体通过轴流式压气机的进气道进入，此时气体以低速度进入压气机中。
进气道的设计通常采用流线型的结构，以减小气流阻力和能量损失。
在进气道的入口处通常还会安装滤网，以过滤掉空气中的杂质和颗粒。
第二步，压缩：气体进入轴流式压气机后，经过压气机的旋转叶轮。
旋转叶轮上的叶片会将气体加速，并且将气体压缩。
叶轮上的叶片通常呈斜角，可以迅速将气体加速，并且将其推向下一个叶轮。
而叶轮的旋转则依靠电动机或者是燃气轮机提供的动力。
第三步，扩散：当气体通过轴流式压气机中的多个叶轮后，气体变得非常紧凑和高压。
然而，由于叶轮的旋转，气体的流动是一个轴向的。
为了使气体能够顺利地排出压气机，扩散器被用来将气体的轴向速度转化为静压能量，从而能够将气体尽可能地压缩。
第四步，排气：在扩散器将气体压缩后，气体排出压气机并进入下一个系统。
排气过程中，气体的流速逐渐减小，且流速与气体静压能量成反比。
此外，为了减小气体流动经过压气机后的尾流损失，通常还会在压气机的排气道中设置一些导流装置，以优化流动和减小能量损失。
总结来说，轴流式压气机的工作原理是通过进气、压缩、扩散和排气四个步骤来实现气体压缩和传输。
它利用旋转叶轮的运动和扩散器的转换作用，将气体的动能转化为压力能量，最终将气体排出。
这种工作原理使得轴流式压气机在各种应用领域中都表现出较高的效率和可靠性。
3-轴流压气机原理
Lu
W12
W22
C22
C12
U
2 2
U12
2
2
2
（1）、给气流加入功叶栅中的气流动能必然发生 变化，也就是加工量体现在气流动能的变化上。 （2）三项的意义分别是：相对动能的变化量（动 叶静压的升高）、绝对动能的变化量（为静叶静压 升高做准备）、离心力做的功。
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
轴向速度Ca的选取
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
预旋的影响
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理—— 第三章轴流压气机基元级理论
基元级的无因次参数和无因次速度三角形
基元级的无因次参数有：运动反动度量Ω、流量系数Φ和能量头系数
等。关于运动反动度已在上面讲过，下面只介绍其它两个参数． 一、流量系Φ： 流量系数是气流轴向分速与圆周速度的比值．它表示着压气机的通流
能力。
ca V u Fu
式中：V——气体的容积流量，
F——垂直轴向的环形通道面积。 当流量一定时， Φ值大小直接影响通流面积。如果要求压气机 迎风面积小， Φ应取的值大。对轴流式压气机的平均半径基元级，
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
圆周速度u的选取
轴流式压气机工作原理
轴流式压气机工作原理
1. 概 述 2. 压气机级的工作原理 3. 压气机叶栅的几何参数与叶片扭转规律 4. 压气机工作过程的特点 5. 压气机级中的能量损失 6. 压气机变工况及性能曲线 7. 压气机的喘振及防喘措施 8. 压气机结构
动叶与静叶
动力式压气机 的特点
利用高速旋转的动叶对气体作功，把转动 轴上的机械能转化为气流的动能和压力能 ， 让气流增压，故通常又把它们称为叶片式压 气机。 它们的特点：供气压力相对来说低一些 ， 但供气量却比较大，而且是连续稳定的。
气流中增压 过程的物理图景
让高速气流流过在静叶之间形成的通 流截面不断扩大的扩压流道，使气流的 流速逐渐降下来，在这个降速流动过程 中，前方已经减速下来的气体分子就会 被后面流来的，流速较快的气体分子追 赶上，因此达到使气体分子彼此靠近而 达到增压的目的 。
燃气轮机常用的压气机有三种型式
1. 轴流式压气机：是指气体在压气机内的 流动方向大致平行于压气机旋转轴线的压气 机，它是本章讨论的主要对象。 2. 离心式压气机：也称为径流式压气机， 气体在压气机内的流动方向大致与旋转轴线 相垂直的压气机。 3. 混合式压气机：指同一台压气机内，同 时具有轴流式与离心式工作轮叶片。一般轴流 级在前，离心级在后。
概 述
要使气体增压，就是使单位容积内气体的分子数目 增加，或让在气流中气体的分子彼此之间的距离靠近， 就可以达到提高气体压力的目的。 常见的气体增压方法有下述两种： 第一种方法是在活塞式压气机中来实现的 ; 第二种方法是利用动力式压气机来实现的 。燃气轮 机中的轴流式压气机便是，它是靠高速旋转的叶片对 气体作功来实现气流的压缩增压的。
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叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
平面基元级
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
基元级的局限性： 1、无法考虑端部损失；
2、径向参数的不均匀性；
3、多级匹配问题； 4、周向参数不均匀的问题
叶轮机械原理——
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
基元级的无因次参数和无因次速度三角形
基元级的无因次参数有：运动反动度量Ω、流量系数Φ和能量头系数 等。关于运动反动度已在上面讲过，下面只介绍其它两个参数． 一、流量系Φ： 流量系数是气流轴向分速与圆周速度的比值．它表示着压气机的通流 能力。
2 2 W12 W22 C2 C12 U 2 U12 Lu 2 2 2
（1）、给气流加入功叶栅中的气流动能必然发生 变化，也就是加工量体现在气流动能的变化上。 （2）三项的意义分别是：相对动能的变化量（动 叶静压的升高）、绝对动能的变化量（为静叶静压 升高做准备）、离心力做的功。
第三章轴流压气机基元级理论
基元级速度三角形及主要参数
速度三角形（velocity triangles）的组成
C W U
C: 绝对速度 W：相对速度 U：牵连速度
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
决定速度三角形的主要参数 1、进口轴向分速度C1a 2、进口切向分速度C1u 3、圆周速度U
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
•设计压气机从设计压气机的基元级开 始，而设计基元级又是从确定基元级 的气动参数开始。 •速度三角形中的主要参数对压气机基 元级的加功、增压和低流阻损失等性 能有着重要的影响。
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
反动度定义：
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
现在航空发动机反动度0.5~0.7
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
运动反动度的定义： 由机械能形式的能量守恒方程有：
由静叶能量守恒方程有：
3
dp
2
பைடு நூலகம்
2 2 c3 c2 0 2
（1）、式中 Cu 和 Wu常称为扭速，计算所得的 比功Lu常称为理论功或理论加功量。 （2）该式清楚池表明：基元级中加给气体的理 论功与动叶栅的圆周速度和气流流过叶栅时的扭速 成正比。 （3）在国际单位制，轮缘功的单位是J／kg
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
2、欧拉方程第二表达式：
等熵压缩功 实际压缩功
滞止等熵效率计算式
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
结构参数 1、外径 2、轮毂直径（内径） 3、轮毂比 4、径向间隙 5、轴向间隙
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
级的参数变化及热力过程焓熵图
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
反动度的表达式可写为：
2 2 2 w12 w2 w12 w2 w12 w2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 c2 c3 w1 w2 c2 c12 w12 w2 u (c2u c1u ) 2 2 2 2
ca V u Fu
式中：V——气体的容积流量， F——垂直轴向的环形通道面积。 当流量一定时， Φ值大小直接影响通流面积。如果要求压气机 迎风面积小， Φ应取的值大。对轴流式压气机的平均半径基元级， 一般Φ= 0．5一O．75
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
二、能量头系数（载荷系数）Ψ
叶轮机械原理——
第三章 轴流压气机工作原理
叶轮机械原理——
第三章 轴流压气机工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
压缩过程的热力学图示表征
T-S图
h-S图
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机的工作原理
滞止等熵效率Isentropic efficiency
能量头系数定义为：理论功(理论能量头)与圆周速度平方之 比．它是衡量级加功量的一个重要参数。
Lu u2
由于叶片和轮盘的应力取决于u2，因此上式是从强度观点衡量级负荷 的一个尺度。也称为扭速系数。
Lu uCu uWu Cu Wu u u
在实际压气机中，沿半径各基元级的Ψ不同，变化范围一般为： Ψ=0.2一1.0， 平均半径处，一般Ψ=0.4一0.6．
4、扭速△WU （△CU）
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
基元级轮缘功（理论功、轮周功）
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
轮缘功的表达式： 1、欧拉方程第一表达式：
Lu U (C2u C1u ) UCu
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
基元级热力过程
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
•多级轴流压气机是由多个单级压气机 串联组成，而其中每一个单级压气机又 是由很多个基元级沿叶高叠加而成。
•压气机是通过无数个基元级实现对气 体的加功和增压，基元级构成了轴流压 气机的基础。
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
基元级中静叶作用
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
基元级反动度： 气流流过基元级时动叶、静叶都对气流 有增压作用，总的静压升高确定后静压升高 在动叶和静叶的分配对基元级的加功量和效 率有较大影响。
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
圆周速度u的选取
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
轴向速度Ca的选取
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
预旋的影响
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
三、基元级的无因次速度三角形 基元级的无 因次速度三角 形的定义： 假如速度三角 形的所有速度 除以圆周速度， 即可得无因次 速度三角形。
叶轮机械原理——
第三章轴流压气机基元级理论
3、基元级的无因次参数间的关系