第3章(第一节)_压气机的原理和特性

1第三章燃气轮机各部件的工作原理（第一节压气机原理与特性）2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3（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-flowTypeAirCompressor离心式:Centrifugal-flowTypeAirCompressor按机内气体总体流向分类4轴流式5离心式6通风机（＜110kPa)鼓风机（110～400kPa)压气机（400kPa)按工作原理和构造分类活塞式压气机叶轮式压气机特殊引射式压缩器按压缩气体压力范围分类7轴流式压气机和离心式压气机性能比较比较项轴流式压气机离心式压气机气流总体流向轴向径向优点流量大、效率高（80%－92%）级的增压能力高（单级压缩比高达4－4.5）缺点级的增压能力低（单级压缩比1.15－1.35）流量小、效率低（75%－85%）应用场合大中型燃气轮机小功率燃气轮机83.轴流式压气机结构转子动叶片叶轮或转鼓主轴静子静叶片（导流叶片、静叶）气缸(机匣)轴承9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10世界各大燃气轮机公司采用的压气机制造厂GE发电ABB-AlstomSiemens三菱重工燃机型号（系列号）MS9001FAMS9001G/HGT26V94.3AM701FM701G压气机型式、级数轴流18级轴流18级轴流22级轴流15级轴流17级轴流14级压比15.423.23017172111压气机的发展趋势提高压比：单台已达30以上提高通流量——大功率提高效率——提高经济性12（二）压气机级的工作原理1.轴流式压气机的基元级——用假想的同轴圆柱面切割级的叶片排所到的高度无穷小的级。三个特征截面：级前1、级间2和级后3132.叶型与叶栅的几何和气动参数叶型的几何参数叶型型线中弧线弦长b前后缘方向角叶型的弯曲角叶型：叶片横截面形状。型线：叶型轮廓线，包括背弧型线、内弧型线及二者的连接圆弧线。中弧线：叶型型线所有内切圆圆心的连线。弦长：型线在弦线方向的投影长度。外弦长——b内弦长——中弧线两端点的连线。前后缘方向角：叶型前、后缘点处中弧线的切线与外弦线间的夹角。叶型的弯曲角θ：表征叶型弯曲程度的角度。θ=χ1+χ214叶栅的几何参数叶栅前后额线叶型安装角γp栅距t入口安装角β1j出口安装角β2j叶栅前后额线：叶型前、后缘点的连线。叶型安装角γp：外弦线与圆周方向的夹角。栅距t：两个相邻叶型上同位点在圆周方向上的距离。入口安装角和出口安装角：叶型中弧线在前缘点和后缘点的切线与叶栅前、后额线的夹角。15主要气动参数进出气角β1和β2进口冲角i=β1j-β1出口落后角δ=β1j-β1气流转折角Δβ=β2-β1进出气角：气流进、出口相对流速与叶栅前、后额线的夹角。进口冲角：叶栅的入口安装角与气流进气角之差。出口落后角：叶栅的出口安装角与气流出气角之差。气流转折角：气流出气角与进气角之差。163.压气机基元级的速度三角形气流的绝对速度、相对速度和圆周速度的矢量关系：17扭速：相对速度的圆周分量变化量。(反映外界对气体做功量的大小。)18级中能量转换计算动叶栅加功量(对单位质量气体)212122222112222112221122212111222d21d22cuppppcc4.压气机级中的能量转换关系19静叶栅（能量守恒）22233222322322322322ccppqppccq20级中增压过程外界通过工作叶轮上的动叶栅将压缩轴功传递给流过动叶栅的空气，一方面使气流的绝对速度升高，另一方面使气流的相对速度降低；气流在流过动叶栅时的相对速度降低所释放的动能，除一部分转换为摩擦热并为气体吸收外，其余都转换成气体的压力势能，使气体的压力升高；气流在流过静叶栅时相对速度降低所释放的动能，除一部分转换为摩擦热并为气体吸收外，其余都转换成气体的压力势能，使气体的压力升高。21影响压气机级的增压能力的因素（限制条件）叶片材料许用应力（强度）的限制圆周速度u不能过大叶栅气动性能的限制气流转折角Δβ不宜过大225.轴流式压气机的效率和能量损失理想压缩功输入的机械功能量损失压气机效率：100%1scccscWh23内部损失①型阻损失（影响因素：叶型）a、叶栅表面附面层中产生的摩擦和脱离现象引起；b、叶片表出口尾迹中的涡流以及与主流的掺混；c、在超音速气流中发生的激波现象等引起的能量损失。②端部损失（影响因素：叶片高度）端部摩擦二次流损失③径向间隙的漏气损失（影响因素：动静间隙大小、前后压差和直径大小等）外部损失①支持轴承和止推轴承上的机械摩擦损失；（相应的减损措施：采用高效轴承、适当润滑等措施）②经过高压转子轴端与机匣之间的间隙泄漏到外界去的漏气损失。（相应的减损措施：增设气封装置）压气机的能量损失24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。（三）压气机的特性252.单级轴流式压气机的特性线特点①每一转速下的压比均有一最大值（最大压比点：左、右两支）；②压气机的喘振——转速不变，流量降低到一定值后，压气机内的气流轴向脉动引起的整台机器的剧烈振动。喘振边界点：压比不稳定无法绘出时对应的流量点。喘振边界线：各转速下喘振工况点的连线。26特点③压气机的阻塞——转速不变，流量增大到一定值后，压比急剧下降，流量无法继续增大的现象。④不同转速下的压比特性线形状稍有不同，转速越高，特性线越陡。注:效率随流量变化的曲线组与压比随流量变化的曲线组特点大致相同。27压比随流量的变化情况（转速不变）无损失时：级的压比随流量的增大而减小考虑摩擦损失时：单位质量气体的损失随流量的增大而增大考虑考虑漩涡损失时：存在使压比最大的最佳流量28maxminminmaxmin()/VVVVVqqqqq压气机工作范围式中：——某转速下压气机进口的最大空气流量；?—同转速下压气机进口的最小空气流量。3.多级压气机的特性线特点①压比随流量变化一般不存在左支，喘振点出现在右支上；②压比和效率随流量变化的特性线较单级陡峭，高转速下几乎成垂线，导致其工作范围变窄。294.压气机的通用特性线流量特性线的缺陷：流量为自变量、转速为参变量绘制的压气机流量特性线只适用于一定几何尺寸和进气条件的压气机，若压气机尺寸或进气条件改变，需通过重新实验获得特性线，应用不便。通用特性线：用压气机对应的定性准则数为自变量绘制出压气机的通用的压比特性线和效率特性线。“通用的”内涵：无论压气机的尺寸（几何相似）、进气量和进气条件如何变化，该特性线都适用。“通用的”根据：根据相似原理，若对应的定性准则数彼此相等，则对应的所有无因次参数都彼此相等。30压气机的定性准则数第一级动叶栅的进口速度马赫数和圆周速度马赫数是压气机的两个基本定性准则数，其他任何与之成比例且相互独立的无因次参数都可代替成为定性准则数。某压气机通用特性线代替进口速度马赫数的定性准则数代替圆周速度马赫数的定性准则数31（四）压气机的不稳定工况典型的不稳定工况失速喘振阻塞32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33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。34叶栅失速区旋转的机理右侧：冲角减小，流动改善，失速消除。左侧：冲角增大，气流分离，失速区逆叶栅运动方向传播。当流量减小时，若叶片2的背部先出现气流分离，叶片2与3之间的流道将被部分堵塞，于是该流道前方将形成低速气流区（停滞区），导致该停滞区附近的气流改变流向。35旋转失速的危害旋转失速出现后，叶片将受到周期性气流激振力作用。当激振力频率等于叶片自振频率时，叶片发生共振，严重时会使叶片表面出现裂纹甚至断裂。叶栅失速的种类①渐进型失速a、随流量减小，失速先在一个或几个叶片的叶尖处产生，然后沿径向和周向扩展；b、压比、效率随流量的减小而连续变化；c、叶圈中可有一个或多个对称的失速区，多个失速区相互干扰，不稳定性增加，常发生于叶片较长的级中。36②突变型失速a、当流量减小到一定值时，沿着叶片的整个高度几乎同时出现失速，而后迅速向周向扩展；b、压气机特性线上表现为：压比随流量发生突跃性变化；c、叶圈中只有1～2个失速区，常发生于叶片较短的级中；d、突变型失速的出现和消失具有一定的滞后性；受到的激振力比渐进型失速时大得多，也更危险。37压气机喘振的特征压气机的流量时增时减；压力忽高忽低；整个机组剧烈振动并伴随特有轰鸣声。压气机喘振的原因内因（根本原因和必要条件）——压气机失速；外因——压气机下游存在容积较大的管网部件。2.压气机的喘振38喘振与失速的区别比较项失速喘振稳定性问题压气机本身的气动稳定性问题压气机与其管网组成的整个系统的稳定性问题压气机总流量不变时增时减气流脉动作用有一个或几个低速区围绕压气机轴线旋转，叶栅周向各处叶片轮流受到气流周向脉动作用叶栅周向各处叶片同时受到气流轴向脉动作用气流脉动的影响因素气流周向脉动的频率和振幅与叶栅本身几何参数和转速相关气流轴向脉动的频率和振幅与管网容量大小相关393.压气机的阻塞阻塞的特征压气机流量无法进一步增加；压比及效率大幅度降低。阻塞的产生原因单级压气机阻塞的原因高转速下的声速阻塞——即气流流速达到声速，流量达到最大临界值，形成气流阻塞。低转速下的边界层脱离阻塞——即由于气流负冲角较大，动叶栅腹面上出现严重的气流分离，使出口通流面积减小而发生阻塞。40多级压气机阻塞的原因高转速下的声速阻塞（阻塞机理同单级压气机的阻塞机理）。低转速下的声速阻塞——末几级由于受流量增大和前几级压比降低、气流密度减小的双重影响，气流速度仍然增加较大并可能达到声速，从而导致声速阻塞。41常用的防喘措施：(1)中间放气(2)旋转导叶(3)分轴压气机4.压气机的防喘出发点：减小非设计工况下的冲角。42多级压气机的中间放气机构中间放气——在多级压气机通流部分的一个或几个截面处将一部分气体放到大气中或者重新引回压气机进口，以防止压气机在低速运行时发生喘振的一种方法。43中间放气的防喘机理从压气机中间放掉部分气体，放气口前流量相对增大，放气口后流量相对减小，使首、末级的气流冲角均可以调整到接近设计值，从而消除喘振。44中间放气措施的优缺点优点：简单易行，压比低于10以下时效果较理想。缺点：经济性差，因放掉10％～15％经过压缩的空气。放气口位置对放气效果的影响(1)过分靠近压气机进口，放气效果不太明显；(2)过分靠近压气机出口，经济性太差；(3)大功率燃气轮机根据转速高低分别采用不同的放气口或不同数量的放气口放气，以此改善放气效果和经济性。45旋转导叶——将多级压气机某些级的导叶做成可以绕自身轴线旋转的结构，使导叶安装角可根据需要进行调整。46旋转导叶的防喘机理压气机在低转速下靠近喘振边界运行时，若导叶不动，前几级将出现大的正冲角；转动导叶，改变安装