航空发动机原理第五讲 发动机部件工作原理---压气机

黄玥助理教授物理机电航空大楼[e-mail]物理与机电工程学院厦门大学发动机部件工作原理AeroEnginePrinciple–Lecture#5/Enginesparts-CompressorOct.13,2014发动机部件工作原理•第一节气动热力基础•第二节进气道•第三节尾喷管•第四节压气机•第五节涡轮•第六节燃烧室内容回顾•进气道–功能和要求–进气道的性能参数：总压恢复系数与冲压比–亚音速进气道和超音速进气道的基本工作原理–超音速进气道的三种基本类型及优缺点–超音速进气道的三种工作状态–超音速进气道的调节2014年10月12日3内容回顾•尾喷管–功能和要求–尾喷管的分类(纯收敛型、收敛-扩张型)–纯收敛型尾喷管的三种工作状态和推力公式–收敛-扩张型尾喷管四种主要类型2014年10月12日4第四节压气机一、生活中的叶轮机风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、水轮机、水泵、螺旋桨（飞机、轮船）……2014年10月12日5一、生活中的叶轮机电脑芯片的风扇：由微型电机驱动，向散热器提供冷却空气发动机的压气机：由涡轮驱动，向燃烧室提供高压空气2014年10月12日6一、生活中的叶轮机压气机2014年10月12日730个大气压1.5个大气压3个大气压一、生活中的叶轮机2014年10月12日8大涵道比涡轮风扇发动机一、生活中的叶轮机2014年10月12日9小涵道比涡轮风扇发动机二、功能、要求及分类功能加功增压，即对气流进行压缩以提高压力设计要求流通能力强、效率高、稳定、重量轻分类离心式和轴流式2014年10月12日10三、轴流式压气机增压原理1、组成多级组成，每一级由转子与静子组成。转子（工作轮）：叶片、盘、轴静子（导向器）：叶片、机匣转子在前、静子在后，交错排列2014年10月12日11转子静子三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理分解级基元级平面叶栅平面叶栅动叶栅静叶栅2014年10月12日12三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理截面编号1动叶进口2动叶出口（静叶进口）3静叶出口2014年10月12日13三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理静叶栅2014年10月12日14三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理气流在静叶栅中的流动伯努利方程dp0V3V22014年10月12日1532232202fsVVdpW对于亚音气流，减速必须经过扩张形通道三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理气流在静叶栅中的流动利用叶型偏向轴线弯曲，使叶片之间形成扩张形气流通道；气体流经扩张通道减速增压（亚音速）；2014年10月12日16三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理动叶栅2014年10月12日17三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理气体在动叶栅中的流动：速度三角形（进口）：气流流向动叶的绝对速度V1；叶片转动切线速度为U1；气流进入动叶的相对速度为W1。速度三角形（出口）：气流流出动叶的相对速度为W2；叶片转动切线速度为U2；气流流出动叶的绝对速度为V2。2014年10月12日18三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理气体在动叶栅中的流动：近似认为动叶前后切向速度不变U1U2气流在动叶中相对速度降低，W2W1（减速增压）气流流经动叶的绝对速度增加，即V2V1（转子做功）2014年10月12日19三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理气体在动叶栅中的流动：伯努利方程（相对坐标系）dp0W2W12014年10月12日2022221102frWWdpW叶型弯曲形成扩张通道，相对速度减小，压力提高三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理气体在动叶栅中的流动：伯努利方程（绝对坐标系）两式相减，得：2014年10月12日212222112ufrVVdpWW2222211222uVV压气机对气体作轮缘功＝绝对动能增量+相对动能增量动叶增压原理：加功、增速、增压三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理流动本质：气体在动叶和静叶中的流动过程，本质上都是亚音速气体的减速增压过程。2014年10月12日22三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理压气机叶栅2014年10月12日23三、轴流式压气机增压原理2、亚音基元级增压原理•气体在轴流压气机中的参数变化2014年10月12日24三、轴流式压气机增压原理3、超音叶栅增压原理2014年10月12日25•进口超音速气流W1经激波后降为亚音流W2’，静压提高•然后气流转弯速度降到W2，静压进一步提高•Mw1=1.3-1.5,总压恢复系数=0.97-0.94级增压比=1.8-2.2三、轴流式压气机增压原理4、压气机级叶片扭转因沿叶高的切线速度大小不同相对速度大小和方向均不同速度三角形不同；2014年10月12日26三、轴流式压气机增压原理4、压气机级叶片扭转2014年10月12日27三、轴流式压气机增压原理5、全台压气机沿压气机轴向，随气体不断被增压，气体密度加大，气流通道逐级缩小，叶片变短2014年10月12日28三、轴流式压气机增压原理思考：是否可以只采用静子叶片减速增压？可否取消动叶？否如果不对气体作功，只靠减速增压，压力增加程度充其量等于来流总压；动叶对气体作功加入能量，增加绝对动能，使气流在其后的静叶中有足够的能量减速增压；排列顺序：动叶在前，静叶在后。2014年10月12日29三、轴流式压气机增压原理级增压原理：动叶加功增速靠扩张叶栅通道减相对速度，增加压力；静叶使在动叶中获得能量的气流，通过扩张叶栅通道减速增压同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向，为顺利进入下一级做准备2014年10月12日30三、轴流式压气机增压原理气体参数的变化动叶静温增加静压增加总温增加（动叶做功）总压增加绝对速度增加（动叶做功）相对速度下降（减速扩压）2014年10月12日31三、轴流式压气机增压原理气体参数的变化静叶静温增加静压增加总温不变总压小幅下降（有损失）速度下降（减速扩压）2014年10月12日32四、热力过程及主要参数1、热力过程理想情况：绝热等熵压缩实际情况：不可逆压缩（近似多变压缩）2014年10月12日33hSP2*P1*等熵理想压缩功实际压缩功12i2四、热力过程及主要参数2、效率计算等熵过程的关系式：等熵压缩功：实际压缩功压气机效率2014年10月12日341**2111kkTT等熵压缩功实际压缩功1*211()(1)kipipkWcTTcT22111()(1)kppTWcTTcTT11()*2211()iikTpTp在给定的增压比和进口总温的条件下，压气机出口温度越高，效率越低。0.82~0.87四、热力过程及主要参数3、压气机主要性能参数增压比：流量：转速：绝热效率：2014年10月12日35)(rpmn)/(skgqma**2*1kpp出口总压进口总压1**2111kkTT等熵压缩功实际压缩功四、热力过程及主要参数4、压气机实际压缩功压缩功与进口气流总温、增压比成正比，与效率成反比2014年10月12日361***1[()1]/kkkkkWCpT四、热力过程及主要参数练习题（判断）只要压气机增压比保持不变，则压气机对单位工质所做的功保持不变。错，功与进口总温、效率有关只要压气机进、出口总温保持不变，则压气机对单位工质所做的功保持不变。对2014年10月12日37作业1、在一台多级压气机中，第一级和第二级对空气的加功量都是30kJ/kg，级效率都是0.84，那么第一级和第二级增压比是否相同，为什么？2、在标准大气条件下，测得某压气机的平均出口总温550K，总压738900Pa，求该压气机效率。2014年10月12日38五、压气机的不稳定工作状态1、压气机攻角攻角：1k几何进口角;1进口气流角设计状态攻角的选取：亚音叶栅：略大于0超音叶栅：略小于0可以近似认为，设计状态攻角为零（i=0）2014年10月12日3911ki五、压气机的不稳定工作状态2、叶型损失(类比机翼)2014年10月12日40五、压气机的不稳定工作状态3、压气机的设计状态与非设计状态正攻角工况（叶背出现分离）设计点工况（设计状态）负攻角工况（叶盆出现分离）2014年10月12日41五、压气机的不稳定工作状态思考：下面哪些情况可能导致攻角增大？哪些情况可能导致攻角减小？•流量不变，转速增大（+）•流量不变，转速减小（-）•转速不变，流量减小（+）•转速不变，流量增大（-）2014年10月12日42五、压气机的不稳定工作状态4、喘振随着攻角的增加：部分叶片一定部位首先发生旋转失速或称旋转分离；分离区扩展至整个压气机叶栅通道，发生喘振2014年10月12日43五、压气机的不稳定工作状态4、喘振定义是压气机的一类气动失稳现象，其流量和压升具有周期性的高振幅振荡，时而体现为非失速的正常流动，时而表现为低流量低压升的失速流动。2014年10月12日44五、压气机的不稳定工作状态4、喘振危害：低频、高振幅脉动；非常强烈的机械振动；强烈的放“炮声”；发动机熄火；发动机“吐火”2014年10月12日45五、压气机的不稳定工作状态4、喘振物理机制：流量减少，攻角增大，叶背出现分离当分离区扩展至整个压气机叶栅通道，这时压气机转子丧失了将气流压向后方，克服后面高反压的能力，于是流量急剧下降；出口的高压气流会向进口方向倒流，此时反压降低，由于压气机轮缘功的作用，又开始正向流动；喘振总是经历流动、分离、倒流、再流动、再分离、再倒流的循环过程。2014年10月12日46五、压气机的不稳定工作状态5、多级轴流压气机的稳定工作问题2014年10月12日47五、压气机的不稳定工作状态5、多级轴流压气机的稳定工作问题当多级轴流压气机工作于设计状态时，各级转子的攻角近似为0，压气机处于高效工作状态。思考：若多级轴流压气机转速低于设计值时，压气机各级攻角会发生什么变化？若转速高于设计值时，各级攻角会发生什么变化？2014年10月12日48五、压气机的不稳定工作状态5、多级轴流压气机的稳定工作问题2014年10月12日49五、压气机的不稳定工作状态5、多级轴流压气机的稳定工作问题2014年10月12日50五、压气机的不稳定工作状态6、压气机防喘措施进气机匣处理中间级放气可转动静子导流叶片多轴压气机：双轴、三轴2014年10月12日51五、压气机的不稳定工作状态6、压气机防喘措施进气机匣处理（不需要掌握原理）重点是考虑多级压气机的前面级和后面级2014年10月12日52五、压气机的不稳定工作状态6、压气机防喘措施中间级放气2014年10月12日53五、压气机的不稳定工作状态6、压气机防喘措施可转动静子导流叶片2014年10月12日54五、压气机的不稳定工作状态6、压气机防喘措施多轴压气机：双轴、三轴2014年10月12日55六、压气机特性1、特性的意义压气机在设计状态下工作时具有符合设计要求的增压比和效率一台设计完成的压气机不可能总在设计状态下工作（如转速变化）当工作条件偏离设计状态时，压气机的增压比和效率会发生变化在非设计条件下工作时压气机性能参数（增压比、效率）的变化为压气机特性2014年10月12日56六、压气机特性2、性能参数变化原因外界条件：进气总压进气总温工作转速空气流量2014年10月12日57*1p*1T六、压气机特性3、压气机特性图设外界条件不变，性能参数之间关系可如下表示：将上式参数之间的关系表示成曲线图，即为压气机特性图2014年