4-平面叶栅特性详解

叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用我们已经对压气机基元级的工作原理作了分析，得到了基元级速度三角形。接下来的问题是如何设计正确的叶栅几何形状，使之在尽可能小的损失的情况下，实现气流的设计流动过程，得到性能良好的基元级。本章的主要内容包括：1、叶型和平面叶栅的几何参数2、平面叶栅的气动参数3、平面叶栅的实验研究4、叶栅效率及受力分析叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶型和平面叶栅的几何参数叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用一、叶型的几何参数平面叶栅是由很多个几何形状相同并按照一定要求和相隔一定距离排列起来的叶型组成的，现讨论由哪些几何参数来确定叶型。叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用1、中弧线：叶型内切圆中心的联线为中弧线，简称中线。2、弦长b：中弧线与叶型型线的前后缘分别相交于A和B。A和B两点连线叫弦，弦的长度以b表示，简称弦长。3、最大挠度（fmax）及其相对位置：中线到弦的最大距离称为中弧线的最大挠度，此点距前缘的距离为a，从气体动力学的观点看，具有决定意义的往往不是绝对值，而是无因次相对值。叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用4、最大相对厚度及其相对位置e：叶型的最大厚度用cmax表示，它与前缘的距离为e，应该用相对值来表示它们的特征。5、叶型前缘角X1和后缘角X2：中线在前缘点A和后缘点B处的切线与弦的夹角。6、叶型弯角：弯角等于前缘角与后缘角之和，它表示叶型弯曲的程度，值越大，则叶型弯曲越厉害。7、叶型型面坐标：叶型的型面通常用坐标来表示。亚声基元级的叶型坐标通常是选定的原始叶型（由风洞吹风试验获得的最佳对称叶型厚度沿弦长的分布）覆盖在确定的中线上获得的。叶型的凸面又称吸力面或叶背，叶型的凹面又称压力面或叶盆。叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用二、原始对称叶型及中弧线1、原始对称叶型叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用原始叶型：叠加到弯曲中线之前，叶型厚度沿弦长的分布。叶型中线与原始对称叶型配合应用。NACA是给出中线的坐标和斜率，其它用圆弧或抛物线给出。叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用2、中弧线（1）圆弧中弧线叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用2、椭圆中弧线叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用二、叶栅中决定叶型位置的几何参数把叶型排成叶栅时，也有一定的要求。决定叶栅的几何参数有以下几个：叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用1、叶型安装角βy：表示叶型在叶栅中的安装位置。它是叶型的弦与额线的夹角，额线就是联结所有前缘A点的直线。2、叶距（或称栅距）t：两相邻叶型对应点之间沿额线方向的距离。在叶型几何参数已经确定的情况下，有了叶型安装角βy和栅距t则叶栅几何参数便完全确定了。但是，在实践应用中，下面两个参数应用更直接、更方便，因而应用更多。叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用3、叶栅稠度τ：稠度τ等于弦长和栅距t的比值，即τ=b/t，表示叶栅相对稠密的程度，也叫叶栅实度。4、几何进口角β1k和几何出口角β2k：分别是中弧线在前缘点A和后缘点B处的切线和额线的夹角。它们可由叶型的前后缘角X1和X2以及安装角βy计算出来。这两个角度是确定气流在叶栅进口处和出口处方向的参考基准。2211,XXykyk叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用§5.2平面叶栅的气动参数叶栅流场中每一点的流动参数都不相同。但是从总体或从平均意义上来看，可以沿额线方向在一个栅距内取平均值，用以代表叶栅的远前方和远后方完全均匀的气动参数。用1-1截面表示栅前，2-2截面表示栅后，并对气动参数标以注脚“1”或“2”，则一个叶栅有下列基本气动参数：叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用平面叶栅的气动参数叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用在上述平面叶栅气动参数中：有的表征来流特征，例如马赫数和进气角；有的表征气动参数和叶栅几何参数的关系，例如攻角和落后角；有的气动参数则表征叶栅气动性能，例如气流转角和增压比以及损失系数，前者表征叶栅作功潜力和扩压能力，后者直接影响叶栅效率。上述气动参数之间还存在着密切的关系，平面叶栅实验研究正是研究具有不同几何特征的叶栅在不同的来流条件气动性能。叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用为了运用上述几何参数合理地设计出叶栅通道，以保证预期的速度三角形的实现，就需要了解平面叶栅中气流流动的物理图画，以便能够进一步分析几何参数对于流动过程的影响。现在以图所示的平面叶栅为例，来研究气体流过叶栅的物理图画。设此叶栅前方来流马赫数Ma1为0.8左右，出口马赫数Ma2为0.6左右，来流平行中弧线前缘处的切线，大体上近似于设计状况的气流方向。二、平面叶栅中的气体流动过程叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶栅中流动的物理图画叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用如图所示，叶型前缘是一个半径为r1的小圆圆周的一部分，当气流流到前缘处就分成两段，一股流向叶背，一股流向叶盆，于是在前缘圆周上就出现了一个分叉点A′。在A′点处的气流不可能有两个速度，于是A′点的速度应等于零，把A′点称为前驻点。前驻点A′不一定和前缘点A相重合，而且A′点随来流情况而变，不是一个固定点。气流在前驻点分成两股，分别流向叶背和叶盆。由于前缘半径r1很小，所以曲率就很大，这就造成绕小圆流动时角加速度很大的加速流动。由于叶背型面为外凸型，叶背的气流达到更高的速度，由图所示，可能在D点达到声速，在D点以后超声流绕叶背的凸面流动就会产生膨胀波而继续加速。图中虚线表示膨胀波，点划线则表示声速线，当达到E点时产生一道激波，波后流速降为亚声速，并进一步减速至尾缘。叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用由于叶盆的形状是凹面，对应于所列举的来流马赫数和方向条件下，叶盆上没有产生局部超声速流动。右图绘出了该叶栅叶型表面的Ma数分布图。由图可见，叶背的速度高，叶盆的速度低，因此叶背上的静压要比叶盆上的低。所以，有时也把叶背叫做吸力面，把叶盆叫做压力面。叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用三、平面叶栅中的气体流动损失上述分析可知，平面叶栅的流动损失由下列各项组成：（1）附面层内气体的摩擦损失。（2）在逆压力梯度作用下的附面层分离损失，如图（b）所示。特别是激波-附面层干扰会加重分离，导致分离损失急剧增加。（3）尾迹损失，即叶型上、下表面附面层在后缘汇合而形成涡流区导致的流动损失，如图（b）所示。（4）尾迹和主流区的掺混损失，或称尾迹后气流的调匀损失。由气体动力学可知，速度不等的气流掺合时会发生动量交换并因此造成损失。（5）气流流过激波而导致的总压下降。叶栅中出现超声速区就必定存在激波，图（c）所示为叶栅流中的激波。叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用平面叶栅中的叶型损失叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用出口平均气流角叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用§5.3平面叶栅的实验研究上述气动参数之间还存在着密切的关系，平面叶栅实验研究正是研究具有不同几何特征的叶栅在不同的来流条件和流出条件下的气动性能。如前所述，亚声压气机设计的基础是平面叶栅的试验结果，下面介绍平面叶栅的实验研究。一、平面叶栅的实验介绍下图为实验台简图叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用平面叶栅实验台在进行平面叶栅试验前，将叶片按照所要求的稠度和安装角固定在圆盘上，转动叶栅圆盘可以改变来流和叶栅的相对位置，从而改变攻角，控制气源压气机的出口总压可以控制来流马赫数Ma1的变化。对应每一个来流条件，测出并记录栅前和栅后的气动参数，利用上面讲述的公式算出叶栅性能参数。改变来流条件并作测量和计算，便可获得叶栅的气动性能曲线在低来流马赫数条件下（Ma10.4~0.6），叶栅性能只取决于攻角，被称为平面叶栅的攻角特性或称为平面叶栅的正常特性。二、平面叶栅的实验过程介绍叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用三、平面叶栅的实验研究过程中测量的参数叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用四、平面叶栅的实验研究过程中数据的整理叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用五、平面叶栅的实验研究得到的结果叶栅气动性能曲线1、2、叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用平面叶栅攻角特性叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用超音速叶栅流动特征叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用栅后静压对流动的影响叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——第四章轴流压气机平面叶栅实验及应用叶轮机械原理——轴流压气机级的流动叶轮机械原理——轴流压气机级的流动叶轮机械原理——轴流压气机级的流动叶轮机械原理——轴流压气机级的流动叶轮机械原理——轴流压气机级的流动通道涡流动叶轮机械原理——轴流压气机级的流动叶轮机械原理——轴流压气机级的流动叶轮机械原理——轴流压气机级的流动叶轮机械原理——轴流压气机级的流动叶轮机械原理——轴流压气机级的流动二次流损失：总结1、叶型参数7个2、平面叶栅参数4个3、平面叶栅气动参数8个4、叶栅的损失5、平面叶栅实验6、平面叶栅的攻角特性下节课内容1、影响平面叶栅的攻角特性的因素2、叶栅效率及叶栅受力分析叶轮机械原理——第五章轴流压气机平面叶栅实验及应用