叶 片 机 原 理
第二篇 压气机
授课教师：陈焕龙
哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院 推进理论与技术研究所
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第八章 离心式压气机
概述
离心式压气机主要部件及作用
离心式压气机气体流动特点
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航空发动机
新型离心压气机特性
航空发动机---容积流量较小的高压级采用离心压气机
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涡喷发动机初 期
20世纪40年代
潜流现象
鼓风作用
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Lr的估算方法
根据试验研究结果，工程计算中采用 Lr aU 2
2
a ---由试验确定系数，目前常用压气机 a 0.03 ~ 0.05
轴向进气条件下 Lu U 2 C2u U1 C1u Lu U 2 C2u U 2
2
Le ( a)U 2
工作轮匀转速 ，离心惯性力在流动方向投影
dA 2 m U2 r A dl r sin 2

根据力的平衡
dp dA dW dA 2 p dp A dA pA p dA Wsin A dl A dl r sin 0 2 2 dt 2
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8.4超声速离心式压气机
由跨声速导风轮 + 高速高负荷工作轮 + 超声速扩压器组成
压气机增压比，并保持较高的效率 提高发动机推重比
跨声速导风轮 进口相对Ma从根顶，若在某半径处起速度超声速
早期的高增压比 离心式压气机 20世纪70年代后高增 压比离心式压气机
叶尖Maw11
叶尖 Maw1>1
b2
2
b2
2
为避免流动分离 3 2 20
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气体在出气管中的流动
出气管与燃烧室相连接，作用之一是将压缩气体导入燃烧室
出气管作用之二是气流速度，气流压力 出气管出口气流速度100m/s~120m/s
为减少损失，出气管转弯处有导流叶片
从叶片扩压器出口到出 气管出口分两个区域
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离心式压气机增压原理 离心力做功占主导地位
假设气流是定常、周向均匀、忽略摩擦力及重力 沿流动方向压力 p dp A dA pA p
dp dA Wsin 2
流线与压气 机轴线夹角

dA dW dW ma A a dl 流体微团加速度 ，惯性力 2 dt dt
跨声速导风轮
跨声速导风轮的设计采用跨声速轴流式压气机的设计经验 串列叶轮
•导风轮与叶轮分开 •按照先进跨声速轴流压气 机转子设计方法设计导风轮
整体普通叶轮
•导风轮与叶轮连在一起 •导风轮进口顶部采用跨声 速轴流压气机设计技术
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高速高负荷工作轮
高速高负荷工作轮的研制从以下几方面展开： 叶轮负荷分布
C2u
从中心向工作轮外缘的 径向均匀流动Wr
Wr>Wu
合成平均W2方向与 径向存在落后角
功率系数 = C2u/U2
叶片数Z 10 0.82 14 0.87
C2u<U2
16 0.89 19 0.945
W2 、2 、C2u 、 C2 代 表 Z 时 这 些 参数的极限值
11 U2= C2u
超声速扩压器 20世纪60年代末管式扩压器 气流转弯为轴向 喇叭形下游扩散段
整体环形 金属板
中心线与叶轮出 口圆周近于相切
均匀切向 前段：圆柱形直孔 后段：带扩张角锥形孔 孔
若切向孔相交 叶轮外径与管式扩压器内径形成缝隙/无叶扩压器，利 于降低扩压器进口速度 若圆柱孔与环形金属板内圆柱面相交 锐边前缘
叶片组成扩压流道 轴向扩压器
b2
b2
2 2
环形缝隙
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气体在环形缝隙中的流动
对微团用动量矩定理
b2 2 b2 2
叶片组成 扩压流道
C2u r2 C 2u r 2 Cu r r , Cu
径向分速度由连续方程得到
m 2 r 2 b2 C 2r 2 2 r2 b2 C2r 2 2 rb C r
受逆压梯度下附面层 发展和分离的限制小 首先达到涡喷发动机 对压比、效率的要求
2 2 2 W1 C1 U1 C1 r 2
离心式：气体径向运动 参数变化 增压
导风轮
轴向进气 C1 const C C const r U1 r tan1 1 1 U1 r r
4
8.1离心式压气机主要部件及其作用
离心式压气机主要由4部件组成： 进气装臵（a-a和1-1之间）：把气体
以一定方向或分布规律引入工作轮，为减 少损失，略有加速减压
工作轮（1-1和2-2之间）：工作轮加
入轮缘功，气体流经它在离心惯性力作 用下作向外的径向运动，增压且加速
扩压器（2-2和3-3之间）：气体仍有

Wr<Wu 倒流
Wr>Wu
C1a=Wr=(0.25~0.35)U2
气体在扩压器中的流动
扩压器的作用
工作轮出口MaC2=1.1-1.2 扩压器将动能转变为压力升高，进一步气体压力
扩压器的组成
2-2截面---2-2截面 环形缝隙/无叶扩压器 2-2截面---3-3截面 2-2截面---3-3截面 安装叶片，叶片间为的流动模型
目前计算方法一般建立在位流理论基础上，没有考虑附面层增长对流动 分离影响 径向速度剖面 主流
20世纪60年代提出射流-尾迹模型，低速情况下得 到实验证实 射流-尾迹模型---气流在导风轮叶片吸力面分离后 形成近似为等Ma射流区，然后冲向工作轮叶片压力 面流出，即分离点后叶轮内部流动包括射流区和相 对静止尾迹区，后者充满了由流动中各种损失产生 的大量低能流体，在哥氏力影响下两区互不混合， 其分界线在流动中保持相对稳定


动坐标系统中不考虑摩擦时 的机械能形式的能量方程式
2 2 dp U2 U1 W22 W12 2 Lf 1 2 2
动坐标系统中考虑摩擦时的 机械能形式的能量方程式
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功率系数/ 滑动因子
=
在工作轮通道中，气 流相对速度W沿通道 宽度不是均匀分布
+
工作轮中气流微团因惯 性产生的与U相反的旋转 运动，环流速度Wu
前弯叶轮气流出口绝对速度比后弯叶轮高
前弯叶轮流道短但弯度大、扩张角大，易分离 前弯叶轮流道出口速度更加不均匀 目前广泛采用的是径向叶轮和后弯叶轮
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超声速扩压器
早期C*=4.0 目前C*=6.0 研制C*>12.0 离心压气机的级增压比增长很快
C*>3.0Mac2>1.0 C*=10.0Mac2>1.4
截面3-3---3-3 截面3-3---K-K
为减少流动损 失，为相等截 面或稍微收敛
增压在此之间 完成
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8.3离心压气机流动损失和效率
流动损失
着重探讨流过工作轮的损失 有效功Le：在工作轮轴上所需的功 圆盘摩擦损失Lr：工作轮转动时克服摩擦和其他损失所需功
Le=Lu+Lr
Lr的意义
Lr ---工作轮旋转时，由于气体粘性，包围在叶轮四周及流道内的气体与机 壳壁面摩擦产生，包括以下3项：
成功应用于活塞 发动机增压器
离心压气机
迎风面积大 效率低 流量小
轴流压气 机
在增压比和流量较小时，燃气涡轮发动机用离 心式压气机比用轴流式压气机合适
考虑三维流动特点 的管式超声扩压器
20世纪60年代
单级 C 6 ~ 8
1~2级轴流压气机/风扇 + 单级离心压气机 小型涡轮轴发动机 小型涡扇发动机
2
效率
离心式压气机效率的定义与轴流式压气机效率定义相同
L i ,C Le
* C
*
等熵压缩过程所需功 / 实际压缩过程所需功
* kk 1 pC * * Li ,C C p T 1 1 * p a
p* 为预旋导流片前气流总压 a p* 为出气管出口处气流总压 C
较高动能，先经过无叶片环形空间即无 叶扩压器（2-2和2-2之间）增压减速， 再在叶片扩压器（2-2和3-3之间，类似 轴流压气机静子）中减速增压
结构示意图
集气管（3-3和K-K之间）：进一步
减速增压并引气体入燃烧室
气流参数沿流程变化
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8.2离心式压气机气体流动特点
进气装臵中的气体流动
进气装臵由 预旋片 组成 分气盆
预旋片
预旋片的作用是使工作轮进口有一 定的切向速度C1u的分布 分气盆的作用是将经过预旋片的气 体分为数层，以便将气体较均匀地 充满工作轮叶片通道进口 为减少流动损失，进气装臵中的流 道应稍有收敛，使气体速度略增
双面进气的离心压气机 分气盆
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工作轮中的气体流动
轴流式与离心式压气机增压原理的不同 轴流式：动能 压力能 增压
D D 2 (0.05 ~ 0.15) 航空发动机离心压气机缝隙部分很小 2 D2 2
气体在叶片扩压器中的流动
叶片采用圆弧弯成，沿圆周均匀分布 叶片之间构成扩压流道 3 2 工作原理与轴流式压气机整流器一 样，气流速度，压力 同样内、外径之下，扩压能力大于 无叶扩压器
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尾迹
后弯叶轮的新发展
优点是当压气机沿等转速线流量减少时，输入功增加，工作稳定性提高， 提供了控制叶轮负荷分布的手段，并降低扩压器进口Ma，使其可适应较大 攻角变化范围，有利于改善非设计点性能 缺点是与径向叶轮相比，为达到相同压比需要较高的U，同时还增加了叶 片弯曲应力，叶片应力高
工作轮叶片的三种形式
叶轮侧表面所带动的与叶轮一起旋转的气体与机壳表面摩擦 叶片两侧压力不同，气体沿着叶轮与机 壳间轴向间隙从一个流道潜流到相邻流道， 其方向与叶轮旋转方向相反