06轴流压气机平面叶栅
发动机原理(第二章压气机)
δ = β2k − β2
β2k 几何出口角 β2 出口气流角
压气机实际压缩功
W k = CpT
* 1 * [( π k )
γ −1 γ
* − 1] / η k
压缩功与进口气流总温、 压缩功与进口气流总温、增压比 成正比， 成正比，与效率成反比
动叶叶栅速度三角形
一级： 一级：
U1 ≈U2
将进、 将进、出口 速度三角形 叠画在一起， 叠画在一起， W和V均向 和 均向 转动方向发生 偏转： 偏转： W2 < W1 V2 > V1
动叶增压原理
伯努利方程(机械能守恒 伯努利方程 机械能守恒) 机械能守恒
2
相对坐标系 dp>0 W2< W1 > 叶型弯曲形成扩张 通道， 通道，相对速度减 小，压力提高
γ −1 * γ
* − 1] / η k
绝热效率等于理想压缩功与实际压缩功之比。 绝热效率等于理想压缩功与实际压缩功之比。 损失
叶型损失
流动 分离 尾迹 激波
环面损失 (二次流损失 二次流损失) 二次流损失
环面附面层 漏气 潜流
攻角
i = β1k − β1
β1k 几何进口角 β1 进口气流角 落后角
4、全台压气机 、
沿压气机轴向，随气体不断被增压，气体密度 沿压气机轴向，随气体不断被增压， 加大，气流通道逐级缩小， 加大，气流通道逐级缩小，叶片变短
三、热力过程及主要参数
1、热力过程 、
– 理想情况：绝热等熵压缩 理想情况： – 实际情况：多变压缩 实际情况：
h 2i
理想压缩功 等熵
2
多变
扭速
∆Wu = W1u − W2u
增加叶栅的弯曲程度，增大扩张程度， 增加叶栅的弯曲程度，增大扩张程度，可以增加扭速
涡轮发动机结构之压气机—速度三角形
w1
c1a
u
小
c1a的大小直接影响发动机的迎风面积
c1u
c1
和效率的大小
二、速度三角形
绝对速度周向分量c1u
表示空气进入第一级工作叶轮之前 预先旋转量，分为正预旋、反预旋：
正预旋： c1u与圆周速度相同 反预旋： c1u与圆周速度相反
由进气导向器产生的预旋，用来防 止压气机喘振
思考：气流经过转子，绝对速度和 相对速度如何变化？
多选题：关于压气机基元级速度三角形，下列哪一种关系是正确的？
A W①> W②
B
C①> C②
C
W① <W②
D C①< C②
提交
一 叶栅速度三角形形成
二
速度三角形分析
二 速度三角形分析
W① U
C①
W②
扩U散通道减速
C②
W ① > W② C① < C ②
c2 w2 u2
空气以绝对速度c2流入整流器进 口, 再以绝对速度为c3流出整流器
二、速度三角形
01 为什么动叶叶栅前來流有 三个速度？
012 动叶叶栅看到來流是如何 流向它的前缘的？
二、速度三角形
绝对速度轴向分量c1a
大小与进入压气机的空气流量qm有关
– 当压气机进口面积和进口空气状态一定 时, c1a增大, 流量也增大
PART
一 速度三角形
一、压气机特正面选取
压气机级的特征面选取 ①－①：叶轮进口截面 ②－②：叶轮出口截面, 整流器进
口截面; ③－③：整流器出口截面
注：一级转子和一级静子为压气机一级
二、速度三角形
学习反力度和预旋.
三、压气机平面叶栅基元级的反力度（一）反力度的物理意义前述气流流过压气机基元级时，动叶和静叶都对气流有增压作用，当基元级的增压比确定后，就存在一个基元级总的静压升高在动叶和静叶之间的分配比例问题。
如果在动叶中的静压升高所占比重大，那么在静叶中的静压升高所占比重则小，反之亦然。
实践表明，基元级的静压升高在动叶和静叶之间的分配情况，对于基元级对气体的加功量和基元级的效率有较大的影响。
因为，无论动叶或静叶，静压升高意味着叶片通道中的逆压梯度增大，而过大的逆压梯度将引起该叶片排中的流动产生分离，严重的分离会导致该叶片排失效，动叶失效将使得动叶的加功和增压能力下降，静叶失效将使得静叶的导向和增压能力下降，动叶或静叶中的流动分离都会引起流阻功增加、气体的机械能减少和基元级的效率下降。
为了说明基元级中的静压升高在动叶和静叶之间的分配情况而引入了反力度的概念，反力度以Ω表示，定义如下：u Rf L L dp ⎰∙+=Ω21ρ （3－9）（3－9）式中分母u L 为基元级对气体加入的机械功，即轮缘功。
在一般情况下，可以认为基元级出口（即静叶出口）绝对速度3c 的大小和方向都十分接近于基元级进口（即动叶进口）的绝对速度1c ，即13c c ≈。
对整个基元级应用能量方程（2－12）式，就有S f R f S R f u L dp L dp L dp c c L ∙∙∙+++≈++-=⎰⎰⎰+32213121232ρρρ （3－10） （3－10）式表明基元级的轮缘功全部消耗于动叶和静叶中的增压过程及克服流阻。
因此，反力度的定义（3－9）式反映了动叶中的静压升高占整个基元级静压升高的百分比的大小，即反映了基元级中的静压升高在动叶和静叶之间的分配情况。
如6.0=Ω，则大致表明动叶的中静压升高占基元级总的静压升高的百分之六十，静叶中的静压升高占基元级总的静压升高的百分之四十。
现代航空发动机压气机基元级的反力度范围一般在0.55～0.70之间。
轴流压气机设计流程
轴流压气机设计流程轴流压气机设计压气机是航空发动机的核心部件，压气机内部流场存在很大的逆压梯度，有着高度的三维性、粘性及非线性和非定常性，而多级压气机还存在复杂的级间匹配，这些都使得压气机的设计难度很大，一直是发动机研制中的瓶颈技术。
一、压气机设计方法的发展一个世纪以来，伴随着气动热力学和计算流体力学的发展!轴流压气机的设计系统在不断进步，带动着压气机设计水平的提高。
20世纪初采用螺桨理论设计叶片；20-30年代采用孤立叶型理论设计压气机；30年代中期开始，由于叶栅空气动力学的发展和大量平面叶栅试验的支持，研制了一系列性能较高的轴流压气机；50年代开始采用二维设计技术，用简单径向平衡方程计算子午流面参数，叶片由标准叶型进行设计；70年代建立了准三维设计体系，流线曲率通流计算和叶片流动分析是这一体系的基础，可控扩散叶型等先进叶型技术开始得到应用；90年代初以来，以三维粘性流场分析为基础的设计体系促进了压气机设计技术的快速发展。
风扇/轴流压气机的设计体系以流动的物理模型发展为线索，以计算能力的高速发展为推动力，大致经历了一维经验设计体系、二维半经验设计体系、准三维设计体系、三维设计体系四个阶段。
并正在朝着压气机时均（准四维）和压气机非定常（四维）气动设计体系发展。
目前的压气机的设计体系大致可以分为四个阶段：初始设计、通流设计、二维叶型设计、三维叶型设计。
二、压气机设计体系1.初始设计这是一个建立压气机的基本轮廓的阶段，根据给定的流量、压比、效率、稳定裕度等参数，来确定压气机级数、级压比、效率、子午面流道、各排叶片数等，并可以进一步可估算重量。
而且整体设计的决策还要统筹风险、技术水平、时间和花费等。
初始设计主要依据一维平均流线计算程序进行计算，在给定设计点流量、压比、转速及转子进口叶尖几何尺寸的条件下，可确定压气机级数、轴向长度、并且优化载荷轴向分布，得到设计点在平均半径处的速度三角形和各级平均气动参数。
高空低雷诺数压气机叶栅气动性能数值研究
图1平面叶栅网格分布
数值模拟0km、10km和20km高度不同雷诺数条件下平面叶栅的气动性能，数值仿真计算工况如表2所示。
设置进口边界条件为速度，进口特征速度为20m/s。
由式（1）和式（2）可计算得到不同高度下的雷诺数。
萨特兰公式：
=1.7894×10-5（空气15°时的粘度）
雷诺数公式：
为气体密度，d为特征长度
图3给出了0km、10km以及20km的静压分布云图，攻角为-12°时压力面前缘位置存在较小的低压区，并且随着雷诺数减小，低压区面积增大，而高压区在叶片前缘的位置基本不变；攻角增至0°时，吸力面前缘出现低压区，
图4给出了不同雷诺数下的速度流线图。
由图可知，在较大负攻角与零攻角情况下，随着雷诺数的减小（飞行高度增大），吸力面尾缘分离区增大，可以看到在20km时出现明显的分离涡；在攻角为12°的情况下，吸力面尾缘在不同高度时均有清晰可见的分离涡，且随着雷诺数的降低，分离涡逐渐后移。
3结论
通过数值模拟分析不同高度下，雷诺数对对叶栅攻角损失性能和叶栅流场结构的影响，得出了以下几个结论：
①随着雷诺数减小，在-12°~12°攻角范围内，总压恢复系数整体逐渐降低，总压损失系数逐渐增大。
②攻角为-12°时压力面前缘位置存在较小的低压区，
表2仿真计算工况
图2不同高度下攻角与总压恢复系数的特性曲线图3平面叶栅的静压分布图图4平面叶栅的速度流线图
图1某增压发动机的Boost计算分析模型示意图
1.3发动机相关零部件尺寸参数定义
1.3.1空气滤清器
所建立的进排气系统模型中，空气滤清器的相关参数和特性如表2所示。
压气机思考题及答案
第一章1.压气机的分类方法有哪些？答:工质的流动方向：轴流式，离心式，斜流式，混合式工质压强提高的程度：风扇，通风机，鼓风机，压缩机工质的性质：气体：压气机，液体，泵2，离心式压气机和轴流式压气机各自的优缺点？,轴流式：优点：1，迎风面积小；2，适合于多级结构；3，高压比时效率高；4，流通能力强；5，在设计和研究方法上，可以采用叶栅理论。
缺点：叶片型线复杂，制造工艺要求高，以及稳定工况区较窄、在定转速下流量调节范围小等方面则是明显不及离心式压缩机。
离心式：优点：1，单级增压比高；2，结构简单、制造方便；3，叶片沾污时，性能下降小；4.，轴向长度小；5，稳定工作范围大。
缺点：3简述压气机的工作原理？工作叶片 扩张通道 对气流做工Lu 回收部分动能气流工作轮压强增加动能上升整流器压强增加流向调整第二章1、 什么是轴流压气机的基元级？为什么要提出基元级概念？答：○1基元级：用两个与压气机同轴并且半径差∆r →0的圆柱面，将压气机的一级在沿叶高方向截出很小的一段，这样就得到了构成压气机级的微元单位—基元级。
○2在基元级上，可忽略参数在半径方向的变化，故利用基元级将实际压气机内复杂三元流动简化为二维模型——降维，便于做研究，故提出了基元级 。
2、压气机基元级增压比和等熵效率如何定义？答：基元级增压比：级静叶姗出口气压和工作轮进口气压之比。
等商效率：气体等熵压缩功与实际耗用功之比。
3、何为压气机基元级的理论功？计算方法有哪些？答：单位质量流体获得的功Lu 即为基元级的理论功。
形式：○1 ○22222221221c c w w Lu -+-=○3*1*2h h Lu -= ○4S f R f L L C C dp Lu ,,2123312+++-+=⎰ρ4、试画出压缩过程的温熵图，并指出理论功、多变压缩功、等熵压缩功和热阻功、摩擦损失功所对应的面积,热阻功是怎么引起的？答理论功Lu=A bd3*fb ；摩擦损失功=A cd3*1*c ；多变滞止压缩功=A bc1*3*fb ；等熵滞止压缩功=A bc3*ifb ；热阻功=A 1*3*3*i ；热阻功引起的原因：○1尾迹损失，上下表面附面层在尾缘回合后形成的涡流，由于粘性作用，旋涡运动消耗动能转变我热能损失；○2尾迹和主流区的掺混，同时由于)(12u u W W u Lu -=粘性作用，使动能转变为热能损失 。
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。
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
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图示
②.雷若数 Re
当 Re 4 105 时，流动常附着于叶片的表面
当 Re 2 105 时，叶片吸力面将出现分离气泡的局部分离流动层
当 Re 1105 时，吸力面出现层流分离层，损失大大增加
上述情况还取决于叶型的形状 ③.紊流度影响
低 Re 时，紊流度Tu 增大，使损失减小 高 Re 时，增大紊流度Tu 无效，由于能量损失，导致损失变大
几何出口角 2k ：中线在后缘点 B 处的切线与额线的夹角
三.叶栅气动参数
2k 2
进气角 1 出气角 2 攻角 i 1k 1 落后角 2k 2
气流转折角 2 1 i
总压损失系数：
p1* p2*
1 2
W12
（ 总压恢复系数）
对于不可压流体，动压等于总压与静压之差，故有：
D dW Re n [(1 W2 ) c W d
W dx
(1 a)b W1 W1
为附面层动量的厚度 W 为附面层外的主流区速度 x 为沿流动方向的距离
Re 为动量厚度的雷若数 n 为常数（负值）
a 为进口边至吸力面最大速度点之间沿弦长方向的距离与弦长 b 的比值
c 和 d 是常数，随叶型、进气角和进口马赫数而变化
－Tu （%）图
w －Tu （%）图
④.密流比影响
轴向密流比： AVDR A1 2w2 sin 2 A2 1w1 sin 1
主要影响静压分布与叶栅的总压损失
经验公式： Cp Cp,2Dk''(AVR 1)
Cp ( p p1) /(0.5C12) 为压力系数， k '' 为常数
⑥.计算叶栅的损失系数 w 1 1 (M a1)
3.平面叶栅正常特性曲线及影响因素
i ：表征 wu 大小，即 Lu 大小（气流扩压能力大小）
w i ：表征扩压过程中的损失的大小
叶栅正常特性曲线
影响因素：
①.进口马赫数 M a1
M a1 增大时， w 最低值时的攻角范围变窄
w 的最低值也变大，即叶栅的效率降低
p1* p1*
p2* p1
1 1 (M1)
四.叶栅流动损失 Lf （叶型损失）
①.附面层内气体摩擦损失 ②.在正压力梯度作用下的附面层分离损失 ③.尾迹损失，即叶型上下表面附面层在尾缘汇合后形成的涡流，消耗动能转为热能 ④.尾迹与主流区的掺混损失，即叶栅尾缘后尾迹气流的调匀损失 ⑤.气流流过激波导致总压下降 五.扩散因子 扩撒因子--即分离准则参数
w 为总压损失系数， k ' 为常数
4.平面叶栅额定特性曲线
实际中取 max 的 80% 作为设计状态下的气流转折角， 即 * 0.8 max ，此状态称为额定状态
平面叶栅额定特性曲线图
5.气流出口落后角
在常用的叶栅几何参数范围内，在额定状态下可用卡特公式计算落后角
* m t b
m
为系数：
六.绝热效率 基元级滞止等熵效率：
i*
L*i Lu
T3*i T3*
T1* T1*
七.平面叶栅实验研究
1.测量参数
L *i
k
k
1
R
T1*[(
P3* P1*
)
k 1 k
1]
（滞止等熵压缩功）
叶栅前：静压 p1 总压 p1* 总温 T1*
2.数据整理
叶栅后：总压 p2* 出气角 2
①.由已知的几何进口角 1k 及实验确定的 1 ，计算出气流攻角 i 1k 1
②.由已知的几何进口角 2k 及实验测量的 2 ，计算出落后角 2k 2
③.由实验测量的 1 和 2 ，计算出气流的转折角 2 1
④.由实验测定的 P1 与 P1* ，计算出 (M a1)
p1 p1*
，求解出 M a1
⑤.由实验确定的 P1* 与 P2* ，计算出总压恢复系数 P1* / P2*
m
0.23(
2a b
)2
0.0022*
0.18
第六章 轴流压气机平面叶栅
一.叶型几何参数
第六章 轴流压气机平面叶栅
中弧线（中线）
叶型前缘角 1 与叶型后缘角 2
弦 长（b）
最大厚度 cm ax
最大挠度 fmax
叶型弯角 1 2
二.叶栅几何参数
叶型安装角 ：叶型弦线与额线的夹角
叶栅的栅距 t ：两相邻的叶型对应点的沿额线方向上的距离 叶栅的稠度 ： b / t 几何进口角 1k ：中线在前缘点 A 处的切线与额线的夹角 1k 1