压气机性能试验报告_第11组
压气机性能实验报告
天津市高等教育自学考试模具设计与制造专业热工基础与应用综合实验报告（一）压气机性能实验主考院校:专业名称：专业代码：学生姓名：准考证号：一、活塞式压气机概述1.活塞式压气机结构及工作原理（1）活塞式压气机结构压气机在现代工业以及现代人的生活中被越来越多的广泛应用，不论是汽车上的涡轮增压系统还是航空航天发动机中的涡喷应用，随着技术的不断革新，其结构、性能也在不断的优化、提高。
本实验旨在通过对简单形式的压气机，进行结构、工作原理以及性能的实验，以达到验证并深刻理解、掌握热工学课程中所学得的知识并应用于实际生产实践中。
本次实验所用压气机为“活塞式压气机”，现就其结构及特点作简要说明。
活塞式压气机是通用的机械设备之一，是一种将机械能转化为气体势能的机械。
图1.1 活塞式压气机机构简图图1-2 三维仿真示意图（2）活塞式压气机工作原理：电机通过皮带带动曲柄转动，由连杆推动活塞作往复移动，压缩汽缸内的空气达到需要的压力。
曲柄旋转一周，活塞往复移动一次，压气机的工作过程分为吸气、压缩、排气三步。
具体为：在气缸内作往复运动的活塞向右移动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力pa ，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程。
当缸内压力高于输出空气管道内压力p后，排气阀打开。
压缩空气送至输气管内，这个过程称为排气过程。
这种结构的压缩机在排气过程结束时总有剩余容积存在。
在下一次吸气时，剩余容积内的压缩空气会膨胀，从而减少了吸人的空气量，降低了效率，增加了压缩功。
且由于剩余容积的存在，当压缩比增大时，温度急剧升高。
特别的是，单级活塞式空压机，常用于需要 0 . 3 — 0 . 7MPa 压力范围的系统。
压力超过 0 . 6MPa ，各项性能指标将急剧下降。
故当输出压力较高时，应采取分级压缩。
分级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高容积效率，增加压缩气体排气量。
活塞式空压机有多种结构形式。
按气缸的配置方式分有立式、卧式、角度式、对称平衡式和对置式几种。
热工学实践实验报告(全)..
2016年热工学实践实验内容实验3 二氧化碳气体P-V-T 关系的测定一、实验目的1. 了解CO 2临界状态的观测方法，增强对临界状态概念的感性认识。
2. 巩固课堂讲授的实际气体状态变化规律的理论知识，加深对饱和状态、临界状态等基本概念的理解。
3. 掌握CO 2的P-V-T 间关系测定方法。
观察二氧化碳气体的液化过程的状态变化，及经过临界状态时的气液突变现象，测定等温线和临界状态的参数。
二、实验任务1．测定CO 2气体基本状态参数P-V-T 之间的关系，在P —V 图上绘制出t 为20℃、31.1 ℃、40℃三条等温曲线。
2．观察饱和状态，找出t 为20℃时，饱和液体的比容与饱和压力的对应关系。
3．观察临界状态，在临界点附近出现气液分界模糊的现象，测定临界状态参数。
4．根据实验数据结果，画出实际气体P-V-t 的关系图。
三、实验原理1. 理想气体状态方程：PV = RT实际气体：因为气体分子体积和分子之间存在相互的作用力，状态参数（压力、温度、比容）之间的关系不再遵循理想气体方程式了。
考虑上述两方面的影响，1873年范德瓦尔对理想气体状态方程式进行了修正，提出如下修正方程：()RT b v v a p =-⎪⎭⎫ ⎝⎛+2 （3-1）式中: a / v 2是分子力的修正项；b 是分子体积的修正项。
修正方程也可写成 : 0)(23=-++-ab av v RT bp pv（3-2）它是V 的三次方程。
随着P 和T 的不同，V 可以有三种解：三个不等的实根；三个相等的实根；一个实根、两个虚根。
1869年安德鲁用CO 2做试验说明了这个现象，他在各种温度下定温压缩CO 2并测定p 与v ，得到了P —V 图上一些等温线，如图2—1所示。
从图中可见，当t >31.1℃时，对应每一个p ，可有一个v 值，相应于（1）方程具有一个实根、两个虚根；当t =31.1℃时，而p = p c 时，使曲线出现一个转折点C 即临界点，相应于方程解的三个相等的实根；当t <31.1℃时，实验测得的等温线中间有一段是水平线（气体凝结过程），这段曲线与按方程式描出的曲线不能完全吻合。
含鸟撞变形叶片的压气机气动性能数值模拟
航空发动机Aeroengine收稿日期：2020-11-18作者简介：刘双丽（1980），女，博士，助理研究员，研究方向为航空发动机适航技术；E-mail ：***************。
通讯作者：罗刚（1980），男，博士，工程师，研究方向为航空结构冲击动力学、航空发动机外物吞咽适航符合性等；E-mail ：****************.cn 。
引用格式：刘双丽，陈伟，王志强，等.含鸟撞变形叶片的压气机气动性能数值模拟[J].航空发动机，2022，48（2）：7-13.LIU Shuangli ，CHEN Wei ，WANG Zhiqiang ，et al.Numerical simulation of aerodynamic performance on compressor with bird impact deformed blade[J].Aeroengine ，2022，48（2）：7-13.含鸟撞变形叶片的压气机气动性能数值模拟刘双丽1，陈伟1，3，王志强1，3，罗刚2，3（1.南京航空航天大学能源与动力学院，2.机械结构力学及控制国家重点实验室：南京210016；3.辽宁省航空发动机冲击动力学重点实验室，沈阳110015）摘要：为研究受到鸟撞前后压气机气动性能的变化，提出了鸟撞叶片结构-气动分析几何模型的转化流程，基于NASA Rotor37转子得到了鸟撞变形叶片几何模型，分别建立了鸟撞前后的全通道气动性能CFD 计算分析模型，在设计转速下开展了全3维黏性流场数值模拟，并与Rotor37转子部件气动性能试验数据进行了对比分析。
结果表明：模拟结果与试验结果非常接近，证明了该数值模拟方法有效；鸟撞后叶片变形区域攻角增大导致的局部气流分离及并发的气流低速流动的耦合是转子气动性能恶化与转子进入失稳工况的主要原因，含鸟撞变形叶片的转子压比、效率等气动性能参数明显降低，稳定工作边界明显缩小。
轴流压气机性能特性
四类非设计工况分析之三
c za c1a
1
z n
const
•（三），在中低转速，工作 点位于红点处。此时流量小于 设计值，压比小于设计压比。 第一级流量系数远小于设计 值，由于各级压比小于设计 值，导致后面级流量系数加速 放大。这就是压气机在中低转 速容易出现前喘后堵的原因。
25
4.2 轴流压气机通用特性曲线
14
4.1 相似理论基本概念 压气机的其它等价相似准则：
Maa0 , Mau
a0，u
q(a0 )，u
G T0 / p0, n / T0 15
4.2 轴流压气机通用特性曲线
16
4.2 轴流压气机通用特性曲线
单级压气机的实验特性曲线
亚声速压气机
超跨声速压气机
17
4.2 轴流压气机通用特性曲线
项目 工况
1
2
3
…
流量管静压
压气机出口
（×105Pa） 总压（ ×105Pa ）
P1
P1*
P2
P2*
P3
P3*
…
…
压气机出口 总温（K）
T1 *
T2 *
T3 *
…
19
4.2 轴流压气机通用特性曲线
求解
（1）由流量管静压，可获得压气机流量。
G1 1Av1
0*
P1 P0*
1
k
（ 4
D 2）
2(P0* P1)
k 1
T1' T1 ( *' k 1) /' T1 351K
满足相似准则所需达到的新转速、流量：
n n`
T1*
T1* `
n' 1.104 n
航空发动机压气机
2.1 离心式压气机 2.2 轴流式压气机 2.3 轴流式压气机转子的基本结构 2.4 鼓盘式转子 2.5 工作叶片 2.6 榫头 2.7 轴流式压气机静子 2.8 压气机防喘系统 2.9 防冰系统 2.10 封气装置
1
第二章 压气机
压气机是用来提高进入发动机内的空气压力，供给发动机工作 时所需要的压缩空气，也可以为座舱增压、涡轮散热和其他发动机 的起动提供压缩空气。
不可拆卸的转子重量轻、结构简单、有足够的横向刚性，能 良好地定心和可靠地传力，因而曾被广泛采用。在结构许可的 条件下，采用焊接或整体加工成型的转子，有利于减轻转子重 量，提高工作可靠性，改进转子的平衡性，便于生产中的质量 控制，是重要的发展方向。
随着焊接技术的发展，在现代先进发动机中采用焊接式转 18
7
2.2轴流式压气机
空气在轴流式压气机中的流动方向大致平行于工作 轮轴．所以称为轴流式压气机：它的流动特点使其在结 构上容易组织多级压缩，以每一级都较低的增压压力比 获得较高的压气机总增压压力比。一般每级的增压压力 比在1．15～1．35之间，使得空气流经每级叶片通道时 无需急剧地改变方向，这样就减少了流动损失，因而压 气机效率高。特别是大流量时，轴流式压气机较离心式 压气机更容易获得较高的压气机效率，一般轴流式压气 机效率可达87％以上，而离心式压气机效率最高在84 ％—85％、与离心式压气机相比，多级轴流式压气机还 具有大流量，高效率、小迎风面积等优点．所以现代航 空用燃气涡轮发动机中多采用多级轴流式压气机。
1．不可拆却的鼓盘式转子 不可拆卸的鼓盘式转子的级间联接常用圆柱面紧度配合加径
向销钉联接和焊接两种方法．这两种方法在完成装配后都不可能 再进行无损分解。在先进的F119发动机上是直接整体加上成型。
涡轮增压器压气机性能分析
也就无法具体地分析 流道 内部 的缺陷。但是采用 计算 流体力 学 （ Ｆ 就 能 避 免 以 上 缺 点 ， 而 为 Ｃ Ｄ） 从 性能优化提供指导。 本文采用计算流体力学方法 （ Ｆ ） Ｃ Ｄ 对某一款 涡轮增压器的压气机 叶轮及蜗壳进行联合性能计 算， 这样能更加准确地反映 出压气机 叶轮 和蜗壳
位 。可 以推 测 ， 向二 次 流 动 是 由于 动 叶 顶 部 间 周
一
隙流驱动的， 且随着压比升高 ， 动叶顶部间隙内的 顶部间隙流强度增强 ， 驱动力加 大； 而且 ，０ ９ ％叶 高处二次流动强度达到一定 值时 ， 导致其它 叶高
处分 离 区产 生 ， 随 着 二 次 流 强 度 的增 强 分 离 区 并 也 随之加 大 ， 终导 致 压气 机 进入 失 速 区 ， 而发 最 进
速 （ ３ ７ ／ ｉ） 的 ３个 不 同工 况 点 进 行 研 １ ０２ ４ ｒｍ ｎ 下
从 图 ３可 以看 出 ， 图上 半 部 分 为 流 量 － 率 该 效 曲线 ， 半部 分 为流量 ． 比曲线 。低 转速 时 ， 比 下 压 压
究， 其中这 ３个工况点分别代表 了压气机 叶轮在 堵 塞工 况点 、 效率最 高 工 况 点和 喘 振工 况 点 ， 图 如
【 关键词 】 涡轮增压器 压气机 计算流体力学 １０ ． ５ ． ０ １ １ ．４ ｏ：０ ３ ６ ／ ．ｓ ．０ ７４ ４ ２ １ ． １ ０ ｓ ５
０ 引言
随着 我 国排 放 法 规 要 求 越 来 越 严 格 ， 气 涡 废 轮增压 器 由于在 节 能 、 高 功 率 以及 环 保 等 方 面 提 的优势 ， 发动 机上 的运 用 越来 越 广 泛 ， 且发 展 在 并 速度 也越来 越快 。然 而 一 台 涡轮 增压 器 性 能 的好
压气机性能实验报告概要
天津市高等教育自学考试模具设计与制造专业热工基础与应用综合实验报告（一）压气机性能实验主考院校:专业名称：专业代码：学生姓名：准考证号：一、活塞式压气机概述1.活塞式压气机结构及工作原理（1）活塞式压气机结构压气机在现代工业以及现代人的生活中被越来越多的广泛应用，不论是汽车上的涡轮增压系统还是航空航天发动机中的涡喷应用，随着技术的不断革新，其结构、性能也在不断的优化、提高。
本实验旨在通过对简单形式的压气机，进行结构、工作原理以及性能的实验，以达到验证并深刻理解、掌握热工学课程中所学得的知识并应用于实际生产实践中。
本次实验所用压气机为“活塞式压气机”，现就其结构及特点作简要说明。
活塞式压气机是通用的机械设备之一，是一种将机械能转化为气体势能的机械。
图1.1 活塞式压气机机构简图图1-2 三维仿真示意图（2）活塞式压气机工作原理：电机通过皮带带动曲柄转动，由连杆推动活塞作往复移动，压缩汽缸内的空气达到需要的压力。
曲柄旋转一周，活塞往复移动一次，压气机的工作过程分为吸气、压缩、排气三步。
具体为：在气缸内作往复运动的活塞向右移动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力pa ，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程。
当缸内压力高于输出空气管道内压力p后，排气阀打开。
压缩空气送至输气管内，这个过程称为排气过程。
这种结构的压缩机在排气过程结束时总有剩余容积存在。
在下一次吸气时，剩余容积内的压缩空气会膨胀，从而减少了吸人的空气量，降低了效率，增加了压缩功。
且由于剩余容积的存在，当压缩比增大时，温度急剧升高。
特别的是，单级活塞式空压机，常用于需要 0 . 3 — 0 . 7MPa 压力范围的系统。
压力超过 0 . 6MPa ，各项性能指标将急剧下降。
故当输出压力较高时，应采取分级压缩。
分级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高容积效率，增加压缩气体排气量。
活塞式空压机有多种结构形式。
按气缸的配置方式分有立式、卧式、角度式、对称平衡式和对置式几种。
离心压气机发展研究报告
离心压气机发展研究报告一、离心压气机的定义和分类1.单级离心压气机：气体进入离心机后，只经过一级压缩，输出的气体压力相对较低。
2.多级离心压气机：气体在进入离心机之前，经历多个级别的压缩，输出的气体压力相对较高。
3.平动离心压气机：离心机进出口的同心轴线平行，其结构相对简单，适用于较小的气体流量。
4.离心固体涡轮机：离心机的叶轮结构拥有类似涡轮的形状，具有较高的输出能量。
5.压缩机和涡轮机的结合：将压缩机和涡轮机的结构特点相结合，形成一种新的离心压缩结构。
二、离心压气机的发展历程离心压气机的发展可以追溯到18世纪末的工业革命时期。
当时，人们开始在工业生产中使用离心机来增加气体的压缩力度。
然而，在早期的离心压气机中，由于技术限制和材料限制，其结构和效率并不理想。
20世纪初，随着机械工程技术的快速发展，离心压气机逐渐成为产业发展中的重要组成部分。
到了20世纪50年代，离心压气机的技术水平得到了大幅提升。
在这一时期，离心压气机的设计和制造过程中引入了计算机辅助设计和仿真技术，大大提高了离心压气机的效率和性能。
此外，新材料的运用和轴承、密封等关键零部件的改进，也使得离心压气机的可靠性得到了显著提高。
现代离心压气机的发展趋势主要有以下几个方面：1.提高效率：通过改进叶轮的结构和增加叶轮的数量，减小气体的泄漏和内部损失，提高离心压气机的能效。
2.减小噪音：采用噪音减震、隔音等技术手段，降低离心压气机工作时产生的噪音。
3.节能减排：通过改进离心压气机的设计和控制，提高其自动化程度和可调节范围，实现节能减排的目标。
4.降低成本：通过增加离心压气机的寿命和维护周期，减少设备的故障率和维修成本。
三、离心压气机的应用领域1.空气压缩机：离心压气机广泛应用于工厂和制造业中的压缩空气系统中，用于提供工业生产和制造过程中所需的压缩空气。
2.石油和天然气工业：离心压气机用于提供石油和天然气勘探、开采和输送过程中所需的压缩气体。
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实验名称压气机性能实验
一、实验目的
1)掌握轴流压气机内流动、加功增压原理和特性；
2)熟悉压气机气动参数测量和计算方法。
二、实验内容
1、性能测试中的气动参数测量与速度三角形
一台压气机在设计完成后，组装到核心机之前一定要经过部件试验的验证。
达到设计指标的才能进行组装。
这部分试验内容称之为压气机的性能测试。
其中最主要的性能参数集中反映在流量、压比和效率这几个参数上。
为了能够绘制速度三角形，本次试验要求在设计和近失速这两个特征状态下，测量如下气动参数：
流量管静压、转子进出口外壁静压、静子出口外壁静压、转子进出口和静子出口平均半径处的总压、转子出口平均半径处的气流偏角以及其它必要的辅助参数。
2、额定折合转速下压气机特性曲线
压气机的性能用特性曲线来表示。
对于高速压气机，通常的特性曲线图为流量－总压比图和流量－效率图。
但对于低速压气机，其横坐标则常用流量
系数来表示，而压比可用压升或压升系数来表示。
试验
时首先要在流量全开的情况下将转速开至待测转速。
待
转速稳定后逐渐减小排气阀关度，通过减小排气面积来
提高反压，从而得到同一转速下不同流量点的特性。
当
流量减小到一定值时就会发生失速或喘振，此时应退出
失速或喘振状态。
将同一转速下的这些测点连接起来就
成为一条特性线。
如需完整的特性图，还应返回大流量
状态，然后开至其它转速，重复这个过程。
图2.1为某低速压气机额定转速下的特性曲线示意图。
0.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.70
∆
p
/
.
5
ρ
u
m
2
c
a
/u
m
0.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.70
1.010
1.012
1.014
1.016
π
c
a
/u
m
0.75
0.80
0.85
0.90
η图2.1 压气机特性曲线
三、实验装置
如图2.2所示，实验台为一排动叶和一排静叶组成的单级轴流压气机，可增加叶片排数，扩展为
双级相同级或三级相同级。
实验台可移动，压气机进口流场均匀，空气流量可微调。
气流通道外径500mm ，内径375mm （轮毂比0.75），通道平直，可改变叶片安装角和动静叶排间轴向间隙。
额定转速2400转/分，最高转速3000转/分，可调转速，转速稳定性2转/分。
2、测试系统 图2.3为本压气机实验台的配套数据采集系统。
该系统由计算机控制数据采集处理，可测气流参数：空气流量，动叶进口、动静叶排间和静叶出口三个截面上外壁气流静压和气流总压、静压、速度及偏角沿叶高分布，级温升。
流量测量精度1%，压升（或压比）测量精度1%，效率测量精度3%。
气动参数的测点位置详见图2.2。
四、实验步骤
1）根据当时的大气温度0T ，算出换算转速2400转/分时的实际转速，启动后平缓加速到该转速；
15
.28824000
T n ⋅
=转/分；运行过程中，视大气温度变化，随时修正转速；
2）按下列排气阀关度次序逐一测量各流量状态下的各项参数：
阀门关度(mm)：12、22、30、37、42、45、48、49、50、60、70、50、42、37、30 3）测量参数：
（1） 流量管静压0P （表压）；
（2） 转子进口、转子出口和静子出口三个截面外壁气流静压1P （表压）、2P （表压）和3
P （表压）；
（3） 转子进口、转子出口和静子出口三个截面平均半径处气流总压*
1P （表压）
、*
2P （表压）、*
3P （表压）和转子出口气流偏角（相对于轴线）2β；
（4） 转子进口总温*
1T 和静子出口与转子进口总温差*
T ∆
五、实验结果与分析：
1）填写表2.1测量参数
2）计算不同阀门关度下的各项性能参数
（可按不可压流计算，填写表2.1性能参数）
根据进气总温（同大气温度T 大气，也同转子进口总温*
1T ）、进气总压（同大气压力P 大气）和流量管壁面静压0P 先算出流量管内空气轴向速度，再推算出压气机内轴向速度a c 和轴向速度系数（流量系数）m a u c /。
a A c A =
，其中：ρ 空气密度=3/P kg m RT 大气大气
；
P 大气、0P （表压），Pa ； *
1T T =大气， K ；
R 气体常数，287.05 )/(K kg J ⋅，0A 流量管通道面积，0.10124 2m
A 压气机内通道面积，0.085903 2m
m u 转子平均半径切线速度，33.322 s m /；
级静压升31p P P ∆=-和静压升系数2
1/2
m p u ρ∆； 级静压比31
P P P P π+=
+大气大气； 基于静压比的级效率1**1
(1)/k k
T T ηπ-=-∆，k 可取1.40
2.5.2数据整理及回答问题
1）画出：设计状态和近失速状态转子进出口平均半径速度三角形；级特性曲线。
平均半径动静叶栅和速度三角形
设计状态
近失速状态
2）用动量原理说明轴流压气机加功原理，用柏努利方程说明增压原理。
答：加功原理：
压气机动叶叶栅的运动方向u 是和它对气体的作用力Pu 方向相同的，因此表现为动叶对气体做功。
由动量定理知：气体作用于叶片的周向分力为：()
u u u w w m P 21-=，则单位质量气体对动叶做的功：
()u u w w u L 21--=因此，动叶对气体做了功：L L u -=。
增压原理：对于不可压流有Bernoulli 方程：const u P P
=+
=2*
2
1
ρ。
对于亚因叶栅，气流以相对速度w 1流入动叶叶栅，以w 2流出。
可以看出，两相邻的叶型通道是扩张型的，因此气流速度降低，由Bernoulli 方程知气流压力升高。
而静叶叶栅通道也是扩张的，因此同样起到减速增压的功能。
3）轴流压气机中有哪些损失？体现在什么参数上？如何获得转子和静子出口损失分布？
答：轴流式压气机的损失包括附面层内气体摩擦损失、附面层分离损失、尾迹损失、尾迹与主流区掺混损失、激波损失；环壁附面层及其叶型附面层相互作用损失、径向间隙损失、间隙涡与通道涡损失、叶面附面层潜移损失。
损失主要体现在总压P*以及效率η中。
为获取转子静子的出口损失分布可以采用在转子及静子后采用总压梳测量周向的出口分布。
4）解释压升系数（或压比）和效率随轴向速度系数（或流量）变化的规律。
答：压比随空气流量的减少，开始逐步增加，达到最大值以后又逐渐减小，最终进入不稳定工况状态。
这是因为空气流量减少到一定程度以后，由于正攻角太大，引起叶背失速，使轮缘功不再上升，而且流动损失剧增，是压比减小，当正攻角超过某一个临界值得时候，叶背分离扩展至整个通道，压气机进入不稳定状态。
根据效率定义u
ad
L L =
*η同理可得效率变化曲线。
5）如何获得基于总压的级特性？分析在本实验压气机条件下，基于总压比的级特性与基于外壁静压比的级特性的差别。
答：通过测量级前和级后的总压总温P 1*，P 3*，T 1*，T 3*，则总压比*1
*3*
P P =π
，效率11
*
1*
31*
*--=-T T K
K πη，通过在一定转速的不同流量下进行实验测量，得到总压比和效率与对应流量之间的关系，从而得到基于总压比的级特性。
在本实验中，气流速度并不很大，在近外壁处由于边界层的影响，气流速度很小，则在总压中，动压头的比例较小，因此在本实验中，基于外壁静压比的级特性可以近似认为是基于总压比的级特性。