叶轮机原理复习A4

叶轮机:又称叶片机，是在旋转的轴或轮盘上装有叶片，通过叶片与工质的相互作用传输或转换能量的机械装置。如：风扇、压气机和涡轮等。轴流式和径流式叶轮机的比较：轴流式优点1、迎风面积小2、适合于多级结构3、高压比时效率较高4、流通能力强5、可采用叶栅理论径流式优点1、单级压比高2、构造简单，制造方便3、叶片沾污时性能下降小4、轴向长度小5、稳定工作范围大压气机沿着高压比、高效率、高速不断地发展。涡轮的发展方向是高温、高效率、高速压气机是怎样提高工质的压力或是如何工作的呢？1．从结构上看压气机主要由两部分组成：转子——转动部分静子——静止不动部分;工作叶片——转子上的叶片;整流叶片——静子上的叶片；级：转子叶片和整流叶片交错排列，每一排转子叶片和后一排静子叶片组成一个级。空气在工作轮中，通过与工作轮叶片的相互作用而获得自外界输入的机械功，在提高其压力的同时，动能也有所增加。随后，在整流器中，空气沿着叶片通道逐渐减速，进一步把动能变换为压力提高，并改变气流流动方向，满足下游部件的需要。第二章叶片机中气体流动的性质和控制方程轴流式压气机的结构特点1、转静叶排交替排列2、叶排由叶片周向排列形成3、轴向间隙4、径向间隙第三章一维定常流动的基本方程和热力学图示1．连续方程（1）定坐标系中的热焓方程动坐标系（根据热力学第一定律和动坐标系下的热焓方程可得）工作轮对单位质量气体所做的功称为轮缘功一维定常流动的基本方程和热力学图示压缩功以压缩过程为例：（1）P-V图等熵压缩功多变压缩功热阻功焓增流动损失第四章轴流式压气机的工作原理工作轮：整流器：多级轴流压气机的简化简化的必要性：内部流动复杂，研究困难。简化过程第一步：多级压气机→单级。简化条件：忽略级与级之间的相互干扰单级压气机是多级压气机的一个基本单元压气机叶型：叶型是就是叶片的横截面形状，是构造叶片的基本元素。叶片可以看作无数个叶型沿着叶高方向叠加而成的。气流流过工作轮后：气体的总温、总压、静压及动能同时增加！气流流过整流器后：气体的总温不变，静压增加，总压及动能有所减小！气流流过整个基元级之后：气体的总温、总压及静压都是增加的！基元级速度三角形的作用1、可反映压力变化2、反映流动损失情况3、反映各速度间的相互制约关系U、C1aW1（W1a）4、联系气动参数和几何参数几个约定：——相对速度的角度，与切向的夹角；——绝对速度的角度，与切向的夹角；2-1——工作轮叶栅中的气流转折角；3-2=1-2——整流器叶栅中的气流转折角决定速度三角形的主要参1、工作轮进口气体绝对速度的轴向分量C1a流量m当进口面积和气流状态一定时：C1am推力F流量一定：发动机的迎风面积2、绝对速度的切向分量C1uC1u通常也被称作为预旋：正预旋——与U同向；反预旋——与U反向；3、轮缘速度U4、扭速Wu（或Cu）预旋的作用（1）正预旋减小W1：U和C1a不变：C1uW1（2）正预旋提高轮缘速度W1和C1a不变：C1uULu（3）正预旋提高轴向气流速度：W1和U不变：C1uC1a在实际应用中，常采用尖部正预旋，根部反预旋的设计方法反力度静压升在工作轮和整流器中的分配上式为用速度分量表示的反力度，故称为运动反力度运动反力度与用“功”表示的反力度有区别。区别在于推导运动反力度时所用的简化条件当U和Cu一定时，C1u，亦即可以通过采用不同的预旋来改变反力度的大小反力度大，转子叶栅的扩压任务艰巨，转子效率低；反力度小，静子叶栅的扩压任务艰巨，静子效率低叶型的主要几何参数1)中弧线：叶型内切圆圆心的连线，亦称中线；2)弦长（b）：中弧线与叶型前、后缘交点A和B之间的直线称为弦，弦的长度即为弦长；3)最大挠度（fmax）：中弧线到弦的最大距离。弦上此点离前缘的距离为a。4）前、后缘角1，2：中弧线在前缘点A和后缘点B的切线与弦的夹角；5）最大厚度（Cmax）：叶型最大内切圆的直径。该圆圆心距前缘沿弦的距离e:6）叶型弯角（）：中弧线在前、后缘的切线之间的夹角：=1+27)叶型型面坐标222111ACACaa*1*22122122hhCChhLquw222222121122fUUWWdpL11221122UCUCrCrCtmtMtmMmLLuuuuuabAVdPdP122121abadkadadAdPL1221,abnknAdPL1221,adALLLCadCnr122,,adcadcchhAdPhhhhhc222121bdcfAdPhhL21211222221,12ufRCCdpLL,uLpC****21,uuLhhLhT32232,202fSCCdpLCP******3232320phhcTTTT*uuLUCustUL*uuLUCuuustCWL122222222211221,121211122211()2111222aauuuufWCCuuuuWCuuuuuuudPCCWWCCLLLLUWCCCCCCCUUUU叶栅中决定叶型位置的几何参数叶型安装角ξ：叶距或栅距t：叶栅稠度τ：=b/t几何进、出口角1k，2k：流动损失：粘性应力导致内能的增加1）附面层内气体的摩擦损失2）附面层分离损失3）尾迹损失4）尾迹和主流掺混损失5）激波损失（以上5项损失合成为“叶型损失”，是气流流过二维叶栅时的流动损失，用Lf表示。）1、扩散因子D作为判断是否分离的准则：扩散因子反映了叶栅的减速扩压程度和叶片所受气动负载的大小，是决定叶栅气流流动损失大小的主要参数。2、基元级的绝热效率3、平面叶栅的气动参数（1）进气角1（2）攻角i=1k-1（3）出气角2（4）落后角=2k-2（5）气流转折角=2-1=（2k-）-（1k-i）=-+i（6）总压损失系数：（2）总压损失系数对于几何参数一定的叶栅，有两个性能参数和。而这两个性能参数可以表示为进气攻角（i）的函数，通常将=（i）或=（i），w=w（i）称作为平面叶栅的正常特性，而将其绘制成的曲线称正常特性线平面叶栅的额定特性线max~kuL稳定工作范围宽max额定状态：*=0.8max（作为设计工况）气动设计基元级速度三角形max叶栅额定特性：*=*(，2*）条件：一般叶型；oooica5;12.0~05.0;45.0~4.0;40~0;5.2~5.0超声叶栅中气流流动方案工作轮整流器进口出口进口出口超音超音超音亚音超音亚音超音亚音超音亚音亚音亚音亚音亚音超音亚音压气机叶片为什么要扭曲？速度三角形沿叶高的变化决定了叶片的扭曲规律。为了保证不同半径上的基元级都具有良好的流动性能，叶片沿叶高必须扭转压气机中流动的特点：三维、非定常、可压缩、粘性流动连续方程，1个；运动方程（N-S方程），3个；能量方程，1个；状态方程，1个。6个方程，6个变量（3个速度分量，3个状态参数）二．完全径向平衡方程基本假设：（1）定常流动：（2）轴向间隙内流动（质量力F为零），轴对称（3）忽略运动方程中的粘性力项，引入熵梯度项来反映粘性损失对流场的影响；（4）不计气体重力；完全径向平衡方程的推导：等式右边：第一项：气体微团作等速圆周运动时的向心加速度，或单位质量气体所受的向心力；第二项：气体微团沿子午面流线作曲线运动时，切向加速度的径向分量；第三项：气体微团沿子午面流线作曲线运动时，向心加速度的径向分量；第二、三项为流线弯曲对气体流动的影响！三．简化径向平衡方程（1）气体沿圆柱面流动；（2）定常流动：（3）轴对称流动：（4）忽略运动方程中的粘性力项；（5）只研究轴向间隙内的流动，这样，叶片力为零。（6）不计气体重力；作用于气体微团的压力梯度和气体的离心惯性力平衡上式说明压力梯度可以通过两种方法建立：通常采用第二种方案（等功假设），所以有：四．等环量分布规律等环量：C1ur=const.也称作自由旋涡规律C1a=constC2a=const基元级速度三角形沿叶高的变化特征：a1沿叶高增大B1沿叶高减小很快反力度的变化：沿叶高迅速增大等环量规律的优缺点：（1）C1u沿叶高降低，这不利于降低叶尖的马赫数和充分利用较高的叶尖轮缘速度；（2）沿叶高增大，且沿叶高变化较大；当m较大时，叶尖的t可能太大；当m较小时，叶根的h可能太小，甚至会变为负的；（3）1,2(1,2)沿叶高变化比较剧烈，故叶片越长，扭曲越厉害，不便加工制造；（4）在叶根处由于U小而C2u大，故易出现2H大于90°的情况：而在压气机设计中，这是不允许的！（5）动叶尖部进口相对马赫数静叶根部进口绝对马赫数超限（6）因轴向速度沿叶高分布均匀，故效率一般较高。此外，计算公式简单，比较准确。设计计算的气流参数变化规律经实验测量结果验证，因此设计分析的准确性较高。总之：长叶片不宜采用；短叶片其优点较突出，故常采用此种叶片。等反力度分布规律沿叶高Ca2的变化比c1a大等反力度规律的优缺点：（1）C1u沿叶高增大，这有利于降低叶尖的马赫数和充分利用较高的叶尖轮缘速度；进气角β沿叶高的变化比较缓和，这样叶片的扭转不大，同时不易出现β2H大于90°的情况：（2）当≤0.5时，有时会出现叶中部分甚至叶根处的MW1反而比叶尖处的大：（3）因轴向速度沿叶高变化较大，故效率一般较低。此外，计算公式较复杂，偏差较大。适合于压气机前几级的长叶片设计！通用规律（中间规律）A=0代表等环量规律A=（1-m）代表等反力度规律。A、B和中只能任意给定两个三元流动带来的主要损失项有：（1）环面附面层中的摩擦损失（2）环面附面层与主流的混合损失；（3）通道旋涡损失（4）叶片表面附面层潜移损失5）径向间隙存在引起的损失：倒流——在逆压力梯度的作用下，由后向前倒流；潜流——在叶盆和叶背压差的作用下，由叶盆向叶背的流动；间隙涡叶片的积叠规律1.倾斜2.弯曲3.掠4.复合弯掠112211*1*2*121*2*121~PPPPWPP11..1kconstCconstrUicossin122mmmmuRCmCCrCrPrCdrdPorrCdrdPuu221drdCdrdCdrdLdrdPaiuiu22122drdLdrdPdrdLdrdCuui10,02drdCdrdPdrdLdrdCiui222110,0..12constrCLrCconstLuuuuuauaCCarctgCconstCr11111&.uauaCUCarctgCUconstCr11111&&.uauaCCarctgCconstCr22222&.uauaCUCarctgCUconstCr22222&&..2121constUCCuu.)(12constCCULuuuULUCULUCuuuu2)1(2)1(21uuCULUr12&)1(mumamarrLUUCCln)1(2)()1(2222211auuaCrCrUCdrdC11121)0(0