6-多级轴流压气机

多级轴流压气机是由各个单级组成，所以就多级轴流压气机的任何一个级而言，其基元级和级的气动设计原理和单级的完全相同，这就是多级压气机和单级压气机的共同点。但是，许多个单级按照一定次序组成多级压气机以后，由于各个级在流程中的位置不同，它们的几何尺寸特征和进口参数是各不相同的，因而形成了多级轴流压气机中各个级的特殊性。由于有这个特殊性，各级的参数（包括加功量的分配、轴向速度的选定等）都有不同，本节从多级轴流压气机设计及其工作特点两个方面加以介绍和讨论。叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机主要内容1、为什么采用多级压气机？2、多级轴流压气机的效率及参数。3、附面层对多级压气机流量的影响。4、多级压气机通道形式。5、多级压气机设计过程中参数的选择。学时2学时叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机为什么采用多级压气机？1、压比越高燃机效率越高。2、单级压比较低，一般为1.3左右。燃机循环T-S图理想简单循环热效率叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机§7.1多级轴流压气机设计概要（一）多级轴流压气机气动设计的主要要求和设计思想尺寸小、重量轻、性能好、安全可靠是对压气机的基本要求，在压气机的气动设计中上述要求可归纳为：在保证压气机安全可靠工作的前提下（应有足够的失速裕度等），使压气机具有高的级加功量（因而压气机级数少、重量轻、轴向尺寸小），高的流通能力（压气机径向尺寸小）和高效率。叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机（二）多级轴流压气机中各个级的特点1、第一级（1）流入第一级压气机的气体未经增压，密度小，在流过同样的空气量前提下，第一级需要流通面积最大；（2）气流马赫数容易达到临界值。（3）发动机在偏离设计状态下工作时，第一级压气机的进口流动情况（气流方向和大小）偏离设计点最远。（4）第一级压气机（或风扇）动叶最长，强度和振动问题多。叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机2、后面级，多级轴流压气机的后面级的工作条件和特点跟第一级压气机完全不一样，其区别为：（1）气体流经压气机各级以后，总压总温大大提高，后面级压气机一般不存在马赫数超限和叶栅堵塞问题。但是，压气机后面级的叶片很短（后面级压气机轮毂比可高达0.85-0.90），因此二次流和环壁附面层引起的损失非常严重。（2）多级轴流压气机的后面级偏离设计工作点很远且为大的正攻角，因而喘振首先发生在后面级压气机。（3）由于通道环壁附面层是逐级加厚的，它所引起的轴向速度变形问题愈往后愈严重。（4）最后一级压气机和燃烧室相连，故最后一级压气机轴向速度较低，在一定加功量前提下，后面级压气机的反力度容易偏大。叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机3.中间级由于中间级压气机的总温已经增高，一般不容易出现马赫数超限问题。此外，中间级压气机的轮毂比也适中，压气机效率较高，所以，在多级轴流压气机设计中，一般在中间级压气机中分配的加功量最大（除进口超、跨声级以外）。还应该指出，在发动机的非设计状态下工作时，中间级压气机的速度三角形变化较小，不易失速，效率高。叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机§7.2多级轴流压气机的增压比与效率一、增压比叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机二、多级效率多级压气机的效率和单级压气机效率之间的关系与多级压气机效率的定义和单级压气机效率的定义一样，也是等熵功和轮缘功之比。多级压气机效率定义图叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机由上图可以看出：由单级压气机效率定义：所以得：所以多级效率为：叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机二、多级效率与单级效率大小比较多级压气机效率比各个分级的级效率（或诸分级的平均级效率）低。由上图可以看出：式中：——多级压气机的等熵压缩功——分别代表第1级、第2级和第3级压气机的级增压比。诸分级的等熵功之和为：由于：所以：即：即：叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机为分析比较方便起见，假定各单级压气机效率相同，即根据合比定理，得：所以，得：即：多级压气机效率比各个分级的级效率（或诸分级的平均级效率）低。叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机原因分析：从以上推证可以看出，所谓多级压气机效率比诸分级压气机效率低的原因，完全是由于效率定义中的等熵功不同而引起。多级压气机效率定义中的等熵功是由T0*出发的等熵线上的相应点总温计算而得的，而各分级压气机效率定义中的等熵功则是由各级的实际初始温度值Ti*计算的。显然，实际过程终了的温度当然比对应于相同增压比和相同起始温度条件下的等熵过程终了的温度为高。目前：多级压气机的效率约为：0.88左右，如**燃气轮机高、低压压气机效率分别为：0.8662和0.8666。叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机§7.3附面层对多级压气机流量的影响一、附面层引起的轴向速度的分布环壁附面层引起的轴向速度分布变形右图为环壁附面层引起的轴向速度变形示意图。由于附面层逐级变厚和流动通道的逐渐减小，因此，越往后轴向速度分布变形越大。叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机二、轴向速度变化对速度三角形的影响在端壁区，轴向速度因粘性而减小，加功量加大在中心区，轴向速度大于设计值，加功量减小叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机三、轮缘功修正系数（减功系数）由于附面层引起的轴向速度变化而使得加工量发生了变化，总的效果是使轮缘功降低。一般考虑设计计算时增加加工量来加以修正。该修正量叫做轮缘功修正系数。KL范围为：第一级——0.97，后面级——0.91。所以，轮缘功Lu=lud/KL.叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机四、流量修正正系数压气机设计中引用流量贮备系数Km进行环壁附面层位移厚度修正，将通道环形面积放大到Km倍（Km1—1.0），以保证各通道截面的平均轴向速度设计值。现代压气机设计采用耦合环壁附面层的三元流场计算方法，大大改善了压气机的性能，包括效率提高和失速裕度增加。叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机§7.4轴流压气机通流形式1、等外径通道，其优点是各级平均半径逐级加大，因而有利于增加各级作功能力。2、等内径通道，它适用于小流量压气机，有利于增大后面级压气机叶片的高度。3、等中径通道，它是上述两种方案的折衷。叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机4、现代高涵道比风扇发动机的风扇压气机流路示意图，低压压气机内外径均大大增加，以增大切线速度。叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机§7.5多级压气机气动参数的分配一、轴向速度的变化规律叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机二、轮缘功的分配规律三、其他参数的分配规律（10条，自己看书）叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机总结1、多级轴流压气机的效率及参数。2、附面层对多级压气机流量的影响。3、多级压气机通道形式。下节课内容第八章压气机的特性与调节叶轮机械原理——第七章多级轴流压气机