C_4_Selection-压气机设计初步类型选取原则
第3章压气机
3.2 轴流式压气机转子 3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接 1、叶身的构造特点 （2） 特点 端部过弯叶身的叶片
为了减少叶片两端壁附面层所造成的损失，而将叶身（包括静子叶 片）尖端和根部前、后缘特别地加以弯曲，提高压气机效率。
第三十四页，编辑于星期五：二十一点 三十四 分。
3.2 轴流式压气机转子
3.2 轴流式压气机转子
5.2.1 转子的基本结构形式 2.盘式转子
第九页，编辑于星期五：二十一点 三十四分。
3.2 轴流式压气机转子
5.2.1 转子的基本结构形式 2.盘式转子
第十页，编辑于星期五：二十一点 三十四分。
加强盘式转子中盘与轴的联接（定心） ➢ 发夹型结构 ➢ 门型结构 ➢ 轴向梯形套齿等 ➢ 端面梯形套齿等
3.1 概述
➢ 轴流式压气机 转子:高速旋转对气流做功的组合件。
低压转子 双转子涡扇发动机中，低压转子就是风扇转子
或风扇转子和低压压气机转子的组合
高压转子
静子
包括机匣和整流器 单转子涡喷发动机中：进气装置、整流器机匣和扩压器机匣 双转子压气机中：进气装置、整流器机匣、扩压器机匣
分流机匣（将内、外涵道的气流分开）
第四十七页，编辑于星期五：二十一点 三十四 分。
3.3 轴流式压气机静子
3.3.1 整流器机匣 2. 整流器机匣的方案 （2）分段式机匣
机匣间的联接、定位和
较长叶片为避免发生危险共振或颤震在叶身中部的凸台
第三十一页，编辑于星期五：二十一点 三十四 分。
3.2 轴流式压气机转子
3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接 1、叶身的构造特点
（2） 特点 宽弦风扇叶片（V2500）
优点：没有增重、减震特性好、叶栅通道 面积大、 喘振裕度宽、级效率高等
压气机的设计过程
压气机的设计过程设计过程大致可分为五个密切相关的步骤即初步设计、S2通流计算、叶片造型（二元）、叶片造型（三元）和放大尺寸的试验件研究。
这五个步骤环环相扣, 每个阶段采用不同层次的数学物理模型和经验数据, 相互补充, 相互交叉检验, 最终将设计风险降到最小。
西方研制的压气机效率较高, 是与这种设计体系有关的。
以下对各设计步骤作简要说明。
初步设计—事先从整体上论证、预估所设计的风扇压气机方案的可行性初步设计从压气机总性能的设计要求出发, 采用1D平均流线分析程序和经验数据, 计算出负荷的轴向匹配, 并估算压气机性能（流量、压比、效率和喘振裕度）, 确定内外环壁形状、级数和总长度等。
PW、RR和GE等公司都是这样做的。
初步设计十分重要, 而且需要较多的经验。
如这一步犯了基本的错误, 例如选取了较少的级数和较短的长度, 致使叶片负荷过高和展弦比太大, 在以下的通流计算和叶型设计中将无法纠正。
初步设计确保了整个设计方案的可行性。
通流设计—S2程序与经验输入的协调设计采用S2程序及损失等经验数据, 解决流场的径向平衡和匹配。
开始时叶片展向压比和效率值取自初步设计, 此后在迭代中可进一步修正叶型损失和落后角这些经验数据。
采用扩散因子以及静子根部马赫数限制等准则, 可以得到各流面叶栅的马赫数、气流转折角、扩散因子等的合理值。
在多级压气机中的通流设计中, 环壁堵塞系数的选取十分关键。
如果选取不准, 则某些级流量会偏离设计点而导致整个压气机前后级不匹配。
另外, 为考虑径向掺混的影响, 通流设计程序中的掺混系数等还须与试验相配合, 进而加以确定, 详见3.5节。
叶片造型（二元）—任意叶型的气动优化造型20世纪70年代以前, 大多采用标准叶型和经验数据关联进行几何造型。
目前英、法、德的发动机公司已采用S1BYL2、MISES等S1程序进行任意叶型的气动造型。
即通过S2-S2系统, 用S1正问题程序反复计算和修改叶型, 采用叶表面速度分布、损失系数以及叶面附面层参数等准则, 使叶型得以气动优化。
压气机
西安航空职业技术学院毕业设计论文涡扇发动机的压气机部件目录1概述 ................................................................................................................................................................2压气机的分类以及结构特点 .......................................................................................................................2.1 ..................................................................................................................................................................2.2 ..................................................................................................................................................................2.3 .................................................................................................................................................................2.3.1 ...........................................................................................................................................................2.3.2 ...........................................................................................................................................................2.3.3 ...........................................................................................................................................................2.3.4 ...........................................................................................................................................................2.3.5 ..........................................................................................................................................................3压气机的工作原理 ........................................................................................................................................3.1离心式压气机的工作原理......................................................................................................................3.2轴流式压气机的工作原理...................................................................................................................... 4压气机的材料 ...............................................................................................................................................56压气机常见故障的诊断以及维修 ................................................................................................................ ......................................................................................................................................................................谢辞 ...............................................................................................................................................................参考文献 ...........................................................................................................................................................附录 ................................................................................................................................................................1概述发动机是飞行器的“心脏”，是在高温、高压、高转速的恶劣环境下长期反复使用的热力机械，对飞行器的性能具有极其重要的作用。
离心压气机设计-第一部分
(8)
从式(8)可以很清楚地发现正预旋和负预旋对滞止压比的影响。
叶轮进口几何尺寸的确定-叶轮进口气动参数之间的关系
如果设计人员在设计前只知道离心压气机质量流量和压比，为 了获得其它几何尺寸，必须还要假定一些必要的参数。例如选 择合适的马赫数和流动角等。这就意味着设计离心压气机的过 程可以走多条路线，因此主要尺寸的确定过程是一个优化设计 过程。
3 k 1
M 1 '2 s a M 1 2 s a 1 M u 22a M 11 s a 1k2 1M 1 2 s a 2 k 1
(10)
式中，Ma1s为叶轮进口轮缘处相对马赫数，MauU2/a01。
诱导轮
进口轮缘处相对马赫数M1s'
图 2 给 出 了 式 (10) 中 的 各 参 数 之 间 的 关 系 。 可 以 看 出 ， 当
的相对马赫数情况下，产生最大流量的相对流动角的计算公式 为
诱导轮
co 2s1s3 2M k1 M '2 s1 '2 a s1a 13 4M k1 M '2 s1 '2 a s1a 2
(12)
图3给出了由式(12)画出的曲线，横坐标为进口轮缘处相对流
动角。根据式(12)，设计者可以选择相对流动角1s，使入口相
1.4
0.3 纵坐标
1.2
0.2
横坐标
1.0
0.1
图中变量坐标
0.8
θM2 /(1-ν2)
u
0.6
0.4
0.2
0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
进口轮缘处绝对马赫数M1s
图2 马赫数对相对流动角的影响
03轴流式压气机c结构
§3.3.1 压气机的通流部分型式
压气机的通流部分型式
（3）等平均直径：等平均直径的级数及效率介于两 者之间。
10
09:46:14
§3.3.1 压气机的通流部分型式
压气机的通流部分型式
（4）混合型：在大流量、高压比的压气机中，
采用组合型的通流形式。
11
09:46:14
§3.3.2 压气机的静子
38 09:46:14
① 中心拉杆转子
中心拉杆转子若靠摩擦力传扭，每个轮 盘之间还需装有销钉。当运行中轮盘万一松 动，销钉将起保险作用而防止轮盘之间产生 相对滑移，以保证安全运行。而当转子拆开 后复装时，销钉可使各轮盘之间的周向相对 位臵保持原状。因此，中心拉杆转子除端面 齿式外，各轮盘之间都装有销钉。
（1）等外径: 等外径的优点是平均直径逐级增 大，即圆周速度逐级增大，故级的平均作功量 大于等内径的而使级数较少，其次是气缸平直 且 Nhomakorabea于加工。
8 09:46:14
§3.3.1 压气机的通流部分型式
压气机的通流部分型式
（2）等内径: 等内径的优点是末级平均直径小而使 叶片高，有利于压气机效率的提高，还易于把通流 部分分为几个级组，每个级组设计成同一叶型以便 加工。
第三章 轴流式压气机原理和结构
第三节 轴流压气机的结构
09:46:14
1
轴流式压气机原理和结构
轴流式压气机的工作原理 压气机的特性曲线 压气机的喘振及防喘措施 轴流式压气机的结构
2
09:46:14
§3.3
轴流式压气机的结构
压气机是工作在300 — 550℃之间的 高速转动部件，由于该工作温度不 太高，结构设计时主要考虑作用在 压气机上的各种机械力。压气机在 结构上应满足强度和刚度要求。
第3章压气机.docx
第3章压气机3. 1概述3. 2轴流式压气机转子3. 3轴流式压气机静子3. 4压气机防喘系统3. 5压气机附属装置3.6压气机主要零件的常用材料3. 7离心式压气机＞功用：给气体做功，提高气体压力＞主要指标：增压比、效率、可靠性、维修性、外廓尺寸和重量等。
＞压气机基本类型：轴流式一WP6, WP8, WP7,WP13,斯贝离心式——WP5 混合式一ALF502根据转子的数目：单转子一WP6, WP双转子一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。
＞轴流式压气机■转子:高速旋转对气流做功的组合件。
•低压转子双转子涡扇发动机中，低压转子就是风扇转子或风扇转子和低压压气机转子的组合•高压转子■静子•包括机匣和整流器单转子涡喷发动机中：进气装置、整流器机匣和扩压器机匣双转子压气机中：进气装置、整流器机匣、扩压器机匣分流机匣（将内、外涵道的气流分开）中介机匣（将气流由低压引入高压）中压压气机图3 ■“典型的三转子压气机鳥压压气机来自淇轮的中压轴传动低压釉传动来自涡轮的高压传动3. 2轴流式压气机转子3.2.1转子的基本结构形式＞转子设计的基本矛盾■尺寸小、重量轻■转速高、负荷大■惯性力和力矩、气体力（轴向力和扭矩）＞要求■可靠的强度和结构刚性■良好的定心、定位■传力、传扭可靠■良好的平衡性＞基本结构形式：鼓式、盘式、鼓盘式3. 2轴流式压气机转子S 3. 5作用在压气机转子上的主要负荷肌一亀力；F,—机动芟行时的倾性力$ P*—•轴向力彳M(.—机动飞籽时的陀蚪力矩* 几一叶片的离心力］皿丁一转犷的扭矩* F K—转子质联的离心力(未标出)图玉6压气机转子的基本型式鼓式■ <b)fe式E (C加强的盘式$(d>鼓盘式3. 2轴流式压气机转子3.2.1转子的基本结构形式1 ■鼓式转子豉式转子（见图3.6（a））的基本构件是一圆柱形、橄榄形或圆锥形鼓筒（视气流通道形式而定八借安装边和螺栓与前■后半釉联接。
第四章压气机
W c 2uu2 c 1uu1
（u c 2u c 1u）
u1 u2时
ucu
uwu
cu 和w u 称为气流的扭速，它的大小与气流的转折角
与相对应。加功量的大小取决与圆周速度u和气
流扭速wu。要提高压气机的增压能力，必须增大u和w 。
增大前者受到材料强度的限制，而增大后者受到叶栅
气动性能的限制。
2
动叶：
h
* 1
h1
c
2 1
，
2
h
* 1
w
h1
w
2 1
2
h
* 2
w
h2
w
2 2
，
2
h
* 1w
h
* 2
w
，
p
* 2w
p
* 1w
静叶：
h
* 2
h2
c
2 2
2
h
* 3
h3
c
2 3
2
h
h1*w h2*w
P1w*
P2w*
c
2 2
2
w
w
2 2
p
w
2 1
2t 2
22
2
P1*
c
2 1
p
h
* 2
h
* 3
，
p
* 3
p
中弧线：叶型型线诸内切圆
中心的连线；
叶型转折角：在中弧线两
端点处切线间的夹角；
弦长b：中弧线两端点的距
离（投影长度）；
叶型中弧线挠度f ：弦长
与中弧线上平行与弦长方向 的切线之间的距离；
叶型最大厚度Cmax：叶型诸内切圆的最大值； 进出口缘厚度d1、d2:组成进出口圆直径； 相对出口缘厚度：d2/o; o为喉口最小截面。
第3章第一节压气机的原理和特性ppt课件
1.压气机的特性与特性线 流量特性： 在转速、进气压力和进气温度一定时，压比和等熵效率随流量变化的关系，称为压气机的流量特性。 压气机的流量特性线： 通过实验测定并作出的压气机流量特性曲线。 压气机的特性线组： 不同转速下的压气机特性线绘在一起，所得到的曲线组，称为压气机的特性线组。
压气机的类型及特点 压气机级的工作原理 压气机的特性 压气机的不稳定工况 压气机的结构
主要内容
（一）压气机的类型及特点
1.压气机的作用 ——向燃气轮机的燃烧室连续不断地供应高压空气。 2.压气机的类型 轴流式：Axial-flow Type Air Compressor 离心式: Centrifugal-flow Type Air Compressor
轴流式压气机的结构
压气机的级 —— 由一列动叶片和紧跟其后的一列静叶片构成的压气机的基本工作单元。
第一级
世界各大燃气轮机公司采用的压气机
制造厂
GE发电
ABB-Alstom
Siemens
三菱重工
燃机型号（系列号）
MS9001FA
MS9001G/H
GT26
V94.3A
M701F
M701G
压气机型式、级数
代替圆周速度马赫数的定性准则数
（四）压气机的不稳定工况
典型的 不稳定工况
失速 喘振 阻塞
1.压气机的失速
(a)流量大于设计值 (b)流量小于设计值
叶背的边界层分离区易扩大
叶栅的失速 ——叶栅中体积流量减小时，叶栅背面边界层发生严重脱离，以致脱离区占据大部分流道并引起流动损失急剧增大的现象，称为叶栅的失速。 当压气机的某一级或某列叶栅失速时，压气机就进入失速状态。 叶栅失速的特征 ①一般先发生在叶栅的若干局部区域； ②局部失速区不是静止不动的，而是围绕压气机叶轮的轴线，以低于叶轮的速度与叶轮同向旋转； ③失速区的圆周速度一般为叶轮圆周速度的20%～80%，对多级轴流式压气机为40%~60%。 ④在相对坐标系中，失速区以相对速度u’朝叶栅运动的相反方向传播。
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u2 r2
Speed [rpm]
n 100000
10000
u2 m / s
200 320 500
1000
10
100
1000
Diameter [mm] D2
Michael Casey
Version: August 2015 Compressors C_4_Selection Page 5
C_4.1.4
Selection diagram for industrial compressor types
• Standard types from MAN Turbo
Discharge Pressure (bara)
600 400 200 100 60 40 20 10 6,0 4,0 2,0 0,4 1,0 2,0 4,0 10 20 40 60 100 200 400
– A non-dimensional enthalpy rise and flow for a certain impeller size and tip speed: V hs t1 2t1 s 2 • Head rise Flow D2 u2 u2 coefficient coefficient – A non-dimensional angular velocity or size for a given volume flow and head 1 1 rise: 2 4 Vt1 h s • Specific Specific s Ds D2 3 1 speed diameter h 4 2
pt 3 pt1 1 ( 1)M
2 n /( n 1) u2
• Radial compressor with air at 20°C and tip speed Mach number of 1.0
Gas : Air, M 28.97, R 8314.4 / 28.97 287.1 J/kg/K
Compressors (C) C_4: Compressor selection
Prof. Michael Casey MA, DPhil, FIMechE, CEng, FASME
Retired Professor of Thermal Turbomachinery in the University of Stuttgart
s
V
t1
Michael Casey
Version: August 2015
Compressors
C_4_Selection
Page 3
C_4.1.2
Other influences on the design
• Compression tasks can often be met with different designs. • The technical choice of design and type is influenced not only by the non-dimensional coefficients but also influenced by
• Pressure ratio depends on blade speed and speed of sound
– For fixed speed we get • More pressure ratio on a cold day
at1 RTt1
• (see chapter C_3 for derivation of the equation above) Michael Casey
pt 3 pt1 1 ( 1)M
2 n /( n 1) u2
• Hydrogen compressor – low molecular weight gas
Gas : H 2 , M 2, R 8314.4 / 2 4157.2 J/kg/K
1.4, ( 1) 3.5, p 0.857, 0.65, M u 2 1.0
Standard Compressor Types
R – Radial A – Axial AV - Axial mit verstellbaren Leitschaufeln B - Barrel Z - Cooling S – Sidestream RIK – Radial with integrated cooler
– Gas properties • Molecular weight / Toxicity – Available design experience – International standards – Available driver (motor, gas turbine, steam turbine, turbocharger turbine) – Economics: initial cost, energy costs and operating costs – Size – Available materials – Maximum allowable operating speed – Requirements on the performance map (operating range, efficiency) – Application (for example, low frontal area and weight in jet engines)
• Refrigeration applications not limited by mechanical properties
– At 340 m/s a very high pressure rise
M u 2 2.143,
pt 3 pt1 (1 0.216 * 0.65 * 2.1432 ) 4,82 11.0
Michael Casey
Version: August 2015
Compressors
C_4_Selection
Page 4
C_4.1.3
Effect of radial compressor speed and size
Microcompressors Small turbocharger compressors n 60u2 / D2 Large turbocharger compressors Classical process compressors 1000000
n /(n 1) 3.5 * 0.857 3, pt 3 pt1 (1 0.4 * 0.65 *1.0 2 ) 3 2.000 Tt1 20 C 293.1 K , at1 RTt1 1306.1 m/s, u 2 1306.1 m/s !!!
• Limited by mechanical properties
Compressors
C_4_Selection
Page 2
C_4.1.1
Influence of design data
• Four key items of data are needed to specify a single-stage compressor application:
– – – – The pressure rise, or isentropic enthalpy rise, hs The inlet volume flow rate, V t1 The rotor casing diameter at impeller outlet, D2 The rotor angular velocity, or blade tip-speed
Version: August 2015 Compressors C_4_Selection Page 7
C_4.1.6
Pressure ratio with high molecular weight gas
pt 3 pt1 1 ( 1)M
2 n /( n 1) u2
• Refrigeration compressor – high molecular weight gas
Gas : CH 2 FClF3 , M 102.0, R 8314.4 / 102 81.5 J/kg/K
1.216, ( 1) 5.63, p 0.857, 0.65, M u 2 1.0
n /(n 1) 5.63 * 0.857 4.82, pt 3 pt1 (1 0.216 * 0.65 *1.0 2 ) 4.82 1.88 Tt1 20 C 293.1 K , at1 160.1 m/s, u 2 160.1 m/s
0.65, M u 2 1.0, 1.4, ( 1) 3.5 p 6 / 7 0.857, n /(n 1) 3.5 * 0.857 3.0
pt 3 pt1 (1 0.4 * 0.65 *1.0 2 ) 3 2.000 Tt1 20 C 293.1 K, at1 RTt1 343.2 m/s, u2 343.2 m/s
An educational course on compressors based on lectures given by the author in the University of Stuttgart
Michael Casey
Version: August 2015
Compressors C_4_Selection
Page 1
C_4: Compressor selection
C_4.1 Influences on the design C_4.2 Cordier or Balje diagram C_4.3 Effect of gas properties