叶轮机械原理教学实验指导书北京航空航天大学能源与动力工程学院流体机械系二零零六年二月1实验一 平面亚音扩压叶栅实验1.1实验目的1)通过实验使学生熟悉平面叶栅实验设备和实验方法； 2)作出叶栅攻角特性和叶片表面压力分布曲线； 3)了解平面叶栅实验在压气机气动设计中的作用和地位。

1.2实验内容1.2.1平面叶栅的攻角特性气流通过平面扩压叶栅后，其方向要发生转折，气流转折角为∆β。

气流通过叶栅损失的大小可用损失系数ω来表示。

∆β和ω随攻角i 和来流马赫数M 1而变化，它们都是i 和M 1的函数。

低速叶栅吹风实验不考虑M 1对叶栅性能的影响，只讨论∆β和ω随攻角i 的变化。

叶栅的攻角特性如图1示。

由图1可以看出，当i 增加时, ∆β开始直线上升，ω几乎不变。

到某一攻角， ∆β达到最大值。

攻角再提高，∆β下降很快，ω急剧增加，这时叶背气流发生严重分离。

在很大的负攻角情况下，气流在叶盆分离。

∆β的大小反映了叶栅的功增压能力,而ω的大小则反映了叶栅有效增压的程度,ω表征气流流经平面叶栅发生的机械能损失，叶栅的效率和ω有直接关系。

压气机设计取max 8.0ββ∆=∆为叶栅名义工作点，把不同几何参数叶栅的名义工作点汇集在一起，即得到平面叶栅的额定特性线，这是压气机气动设计的依据。

1.2.2叶片表面压力分布叶片表面压力分布以无因次压力系数P 表示1*11P P P P P --=式中*1P 、1P 分别为叶栅进口的总压和静压，P 为叶片上任一点的静压。

P为正值说图 1.1 平面叶栅的攻角特性2明叶片上某点的当地速度低于叶栅进口速度，P 为负值表明当地速度大于叶栅进口速度。

典型的叶片表面压力分布曲线如图2所示，横坐标为弦长百分比。

进行叶片表面压力分布实验时，只测量一个攻角(例如5︒攻角)的叶片表面压力分布。

同时，还可以改变几个攻角(-10︒,10︒,18︒)，观察叶片表面压力分布变化情况，特别要注意大攻角时，叶片表面出现严重分离(失速)现象。

当叶片表面出现分离时，分离点后叶栅不再增压，水排上指示水柱高度不变。

1.3实验设备1.3.1叶栅风洞图3表示平面叶栅实验设备示意图图 1.3 平面叶栅实验设备示意图叶栅实验由连续气源供气，气流经过扩压段减速扩压，稳定箱内安装了蜂窝器和阻尼网（钢网）,消除旋涡，使气流稳定均匀，再经过维他辛斯基曲线的收敛段，使稳定箱出来的气流均匀膨胀加速，造成叶栅进口截面各点压力、速度都相同的一股均匀气流进入叶栅。

叶栅实验段——由10个叶片组成一排叶栅，叶栅装在圆盘上，转动圆盘可以改变攻角。

测量探针装在三自由度位移机构上。

1.3.2叶栅几何参数实验选用C-4叶型 C-4叶型几何参数：图 1.2 叶片表面压力分布3中弧线 圆弧半径r=138.60mm 弦长 b=60 mm最大绕度 30.3max =f mm ， 055.0max==bf f 距前缘距离 30=a mm ，%50==baa 最大厚度 6m a x≈c mm ， %10max==b c c 距前缘距离 18=e mm ， %30==bee 叶型弯度 ︒=25ϑ 叶型前缘角 ︒=5.121ϕ 叶型前缘角 ︒=5.122ϕ叶栅几何参数：叶型安装角 ︒=5.47y β(与轴线夹角?) 栅距 45=t mm 叶栅稠度 33.1==tbτ 几何进口角 ︒=351k β 几何出口角 ︒=602k β1.3.3测量探针叶栅前用一支装在端壁上的总静压管，测量叶栅进口总压*1P 和静压1P 。

叶栅出口用一支装在位移架上的 总、静、方向组合探针，测量叶栅出口*2P 、2P 和2β。

在中间叶片内装了8根静压管测量叶片表面压力分布. 全部压力的数值在水排上显示(见图4)图 1.4 指示压力的水排41.3.4测温装置在叶栅前装一支镍铬-康铜热电偶,通过UJ36直流电位差计测量出栅前的气流温度。

1.4实验步骤1.4.1开车前的准备在进行实验以前，同学们必须阅读实验说明书，明确实验目的、方法和步骤。

检查测量探针是否堵塞，然后把探针放在叶栅通道叶高中部，离叶栅前缘及后缘一个栅距位置上进行测量。

为保证测准叶栅出口气流方向，还应检查叶栅出口探针是否对准零位。

转动圆盘，把叶栅转到实验的第一个功角位置。

参加实验者，明确分工，准备好记录纸和笔。

1.4.2开车实验指导教师检查准备情况，符合要求后即可启动40千瓦罗茨鼓风机，气流连续不断进入叶栅风洞，这时将叶栅前探针调到对准气流方向，并固定紧。

检查叶栅是否有漏气情况，叶栅工作正常方能读取数据.1.4.3数据测量叶栅工作正常后，即可读取数据，对给定攻角，记录叶栅前气流总压*1P 和静压1P 。

测量叶栅出口气流总压*1P ,静压1P 和方向2β 。

转动探针,水排上指示方向管两孔液面高度相同时,才可以从位移机构的标尺上读取出口气流角2β ,由于叶栅出口气流不均匀，沿栅距测量4个点取算术平均。

改变攻角，重复测量上面的参数,至少要作5-6个攻角,方能画出一条攻角特性曲线。

测量5︒攻角的压力分布。

再改变几个攻角，观察圆盘上压力分布的变化，注意大攻角时叶片上出现的分离现象。

记录某一攻角（如5︒）栅前总温*1T ，与测量的总压*1P 和静压1P 计算马赫数1M 和雷诺数Re 。

1.4.4停车实验完毕，检查数据齐全后，即可停车。

停车后整理好实验间，并记录好当天的大气压数值。

1.5实验报告1.5.1原始数据记录大气压力：P=大气栅前气流温度：*1T=表1.15表 1.2表1.3671.5.2数据整理及回答问题1）叶栅进口气流角 i k -=11ββ （度）（表1.2） 2）落后角22ββδ-=k （度）（表1.2） 3）气流转折角12βββ-=∆ （度）（表1.2） 4）计算︒5攻角栅前马赫数 M 1，由*11P P =)(1M π查气动函数表可得M 15）计算总压恢复系数=σ*1*2P P （表1.2）6）计算叶栅损失系数1*1*2*1P P PP --=ϖ（表1.2）7）计算︒5攻角栅前雷诺数μρbW R e 11=式中μ—— 空气粘性系数,其值为1.789⨯105帕/秒b —— 叶片弦长，单位米1ρ—— 栅前气流的密度W 1 —— 栅前气流的速度8）画出叶栅的攻角特性曲线1()f i β∆=，2()f i ϖ=9）画出叶片表面的压力分布曲线。

∆和ω随i变化的规律及原因10）分析β11）说明叶栅攻角特性与额定特性的联系与区别。

8实验二压气机性能实验2.1实验目的1)掌握轴流压气机内流动、加功增压原理和特性；2)熟悉压气机气动参数测量和计算方法。

2.2实验内容2.2.1性能测试中的气动参数测量与速度三角形一台压气机在设计完成后，组装到核心机之前一定要经过部件试验的验证。

达到设计指标的才能进行组装。

这部分试验内容称之为压气机的性能测试。

其中最主要的性能参数集中反映在流量、压比和效率这几个参数上。

为了能够绘制速度三角形，本次试验要求在设计和近失速这两个特征状态下，测量如下气动参数：流量管静压、转子进出口外壁静压、静子出口外壁静压、转子进出口和静子出口平均半径处的总压、转子出口平均半径处的气流偏角以及其它必要的辅助参数。

2.2.2额定折合转速下压气机特性曲线压气机的性能用特性曲线来表示。

对于高速压气机，通常的特性曲线图为流量－总压比图和流量－效率图。

但对于低速压气机，其横坐标则常用流量系数来表示，而压比可用压升或压升系数来表示。

试验时首先要在流量全开的情况下将转速开至待测转速。

待转速稳定后逐渐减小排气阀关度，通过减小排气面积来提高反压，从而得到同一转速下不同流量点的特性。

当流量减小到一定值时就会发生失速或喘振，此时应退出失速或喘振状态。

将同一转速下的这些测点连接起来就成为一条特性线。

如需完整的特性图，还应返回大流量状态，然后开至其它转速，重复这个过程。

图2.1为某低速压气机额定转速下的特性曲线示意图。

0.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.70∆p/.5ρum2ca/um0.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.701.0101.0121.0141.016πca/um0.750.800.850.90η图2.1 压气机特性曲线9图 2.2 压气机气动力学实验台10112.3实验设备2.3.1压气机实验台如图2.2所示，实验台为一排动叶和一排静叶组成的单级轴流压气机，可增加叶片排数，扩展为双级相同级或三级相同级。

实验台可移动，压气机进口流场均匀，空气流量可微调。

气流通道外径500mm ，内径375mm （轮毂比0.75），通道平直，可改变叶片安装角和动静叶排间轴向间隙。

额定转速2400转/分，最高转速3000转/分，可调转速，转速稳定性2转/分。

2.3.2图2.3为本压气机实验台的配套数据采集系统。

该系统由计算机控制数据采集处理，可测气流参数：空气流量，动叶进口、动静叶排间和静叶出口三个截面上外壁气流静压和气流总压、静压、速度及偏角沿叶高分布，级温升。

流量测量精度1%，压升（或压比）测量精度1%，效率测量精度3%。

气动参数的测点位置详见图2.2。

2.4实验步骤1）根据当时的大气温度0T ，算出换算转速2400转/分时的实际转速，启动后平缓加速到该转速；15.28824000T n ⋅=转/分；运行过程中，视大气温度变化，随时修正转速；2）按下列排气阀关度次序逐一测量各流量状态下的各项参数： 阀门关度(mm)：12、22、30、37、42、45、48、49、50、60、70、50、42、37、303）测量参数：（1） 流量管静压0P （表压）；12（2） 转子进口、转子出口和静子出口三个截面外壁气流静压1P （表压）、2P （表压）和3P （表压）；（3） 转子进口、转子出口和静子出口三个截面平均半径处气流总压*1P （表压）、*2P （表压）、*3P （表压）和转子出口气流偏角（相对于轴线）2β；（4） 转子进口总温*1T 和静子出口与转子进口总温差*T ∆2.5实验报告2.5.1原始数据记录1）填写表2.1测量参数2）计算不同阀门关度下的各项性能参数 （可按不可压流计算，填写表2.1性能参数）根据进气总温（同大气温度T 大气，也同转子进口总温*1T ）、进气总压（同大气压力P 大气）和流量管壁面静压0P 先算出流量管内空气轴向速度，再推算出压气机内轴向速度a c 和轴向速度系数（流量系数）m a u c /。

a A c A =，其中：ρ 空气密度=3/P kg m RT 大气大气；P 大气、0P （表压），Pa ； *1T T =大气，K ；R 气体常数，287.05 )/(K kg J ⋅ 0A 流量管通道面积，0.10124 2mA 压气机内通道面积，0.085903 2mm u 转子平均半径切线速度，33.322 s m /；级静压升31p P P ∆=-和静压升系数21/2m p u ρ∆； 级静压比31P P P P π+=+大气大气； 基于静压比的级效率1**1(1)/k kT T ηπ-=-∆，k 可取1.40表2.1132.5.2数据整理及回答问题1）画出：设计状态和近失速状态转子进出口平均半径速度三角形；级特性曲线。