边界层理论：L. Prantl于1904年提出 边界层厚度与摩擦损失
摩擦损失计算
l fric
2
d 1 hyd
v2 dx 2
式中， 为摩擦阻力系数，与Re和表面粗糙度相关 f (Re,r / K)
dhyd 为水力直径，对于半径为r的圆截面：dhyd 2r
对于长、宽分别为a、b的矩形截面：dhyd
航空叶轮机械原理
第五章 离心压气机
北京航空航天大学 航空发动机数值仿真研究中心
金东海 2019年春
主要内容
第一节 工作过程及性能参数 第二节 叶轮理论 第三节 固定元件（进气装置、扩压器、排气装置） 第四节 叶轮损失 第五节 性能特性
第六节 相似理论的应用——比转速 第七节 水泵的气蚀问题
第四节 叶轮损失
分离损失
易分离位置——进口分离
轮盖处：加速过急、扩压加剧，易 分离
轮盘处：转弯过急，形成冲击分离
迎角特性（冲击损失）
第四节 叶轮损失
尾迹损失
Lwake
wake
v22 2
式中， wake 为尾迹损失系数
总损失系数经验关系
爱盖尔特经验式（后弯式叶轮）
前弯叶片式叶轮气流出口绝对速度比后弯高，易使扩压器进入 跨声速
前弯叶片式叶轮流道短但弯度大、扩张角大，易分离 前弯叶片式叶轮流道出口速度分布更加不均匀
a、后弯叶片式
前、后弯叶片叶轮流道内部速度分布比较
b、前弯叶片式
第二节 叶轮理论
不同形式叶轮的反力度（Reaction ratio）
离心压气机的主要性能参数
流量： 质量流量 G VA 体积流量 Q VA G /

压比：

* c

p5* p0*
效率：
k 1
c

k c Tc T1
1 1
功率：
压气机 N GLu
泵
N Q gH
风机 N QP
第一节 工作过程及性能参数
由于叶片扩压器的内部 流动不易控制，通常采用直 壁式叶片扩压器。
叶片扩压器
第三节 固定元件
扩压器
直壁扩压器
161221
无叶扩压段
当 Ma2 Macr 时避免扩压器壅塞， 通过无叶扩压段降低扩压器进口 马赫数
v3 vr3 cos2 2D2 v2 vr2 cos3 3D3
r —轮盖进口固角半径;
b1 —叶片进口宽度，指叶片轮盖侧面边缘AB延长到C点(叶片进口中心点的直径处)所量得的宽度； b2 —叶轮叶片出口宽度；
第二节 叶轮理论
离心叶轮的速度三角形
第二节 叶轮理论
无限叶轮流动理论与有限叶轮流动理论
轴向旋涡说明实验
叶轮流道中流体流动示意
第二节 叶轮理论
c、前弯叶片式叶轮
叶轮叶片的三种形式及出口速度三角形
第二节 叶轮理论
三种形式叶轮的比较
前弯叶片式叶轮气流出口绝对速度比后弯高，易使扩压器进入 跨声速
前弯叶片式叶轮流道短但弯度大、扩张角大，易分离
前、后弯叶片式叶 轮的流道比较
a、后弯叶片式
b、前弯叶片式
第二节 叶轮理论
三种形式叶轮的比较
Dv D3v3 D4v4 常数
无叶扩压器
第三节 固定元件
当无叶扩压器 4 3 时，则
vr 4
vr3
3 D3 4 D4
vr3
D3 D4
4 3
当无叶扩压器存在壁面摩擦力时，
vu4r4 vu3r3
vu 4

vu3
D3 D4
4 3
当无叶扩压器密度增加和壁面摩擦力同时作用时，设 4 3
第三节 固定元件
扩压器
管式扩压器
第三节 固定元件
扩压器
管式扩压器
PW100 (PT7A)
第三节 固定元件
弯道和回流壳
蜗壳的结构形式
等截面排气管 蜗壳前为叶轮
蜗壳前为扩压器
不对称内蜗壳
第四节 叶轮损失
损失的类别
ltot
1945年，Cheshire首次报道离心压气机失速现象； 发生原因：
导风轮前缘的轴对称分离引发失速； 叶轮后固定元件（涡壳）非对称流动引发失速
失速裕度大于轴流压气机
性能特性
一个案例
性能特性
一个案例
离心叶轮进口
离心叶片压力面相对马赫数和流线分布
性能特性
一个案例
离心叶轮进口
进气道、（导风轮）、离心叶轮、径向扩压器、轴向扩压器
第一节 工作过程及性能参数
离心压气机的基本结构（民用）
进气涡壳（inlet） 叶轮（impeller） 扩压器（diffuser） 排气涡壳（volute）
第一节 工作过程及性能参数
离心压气机级的工作过程
第一节 工作过程及性能参数
u12 2

w12
w22 2

v22
v12 2
设 v1u 0 ，v2r v1r v1 ，根据速度△
v12 u22 (u2 v2u )2 v22r 1 v2u 1 2u
2v2uu2
2u2
2
可见，后弯叶片式叶轮的反力度大，前弯叶片式叶轮的反力度小，径向叶片叶轮的反力 度在0.5左右。
v22 v12 2

2 1
1
dp
lf
ll ldf
摩擦损失
分离损失
尾迹损失
lf
二次流损失
漏气损失 ll 轮阻损失 ldf
ltot lu ll ldf
lu
v22 v12 2

2 1
1
dp
lf
第四节 叶轮损失
摩擦损失
边界层
二次流动的类型
角涡
潜流
潜流
泄漏流
横向流（通道涡）
通道涡
通道涡
角涡
泄漏涡
刮削涡
通道涡
性能特性
Gcorr
G 101325 p0*
T0* 288.15
ncorr n
288.15 T0*
性能特性
与轴流压气机的比较
特性线相对较为平坦； 稳定工作范围较宽。
失速与喘振
v4 vr4 cos3 3D3 v3 vr3 cos4 4 D4
当无叶扩压器 b4 b3
第三节 固定元件
扩压器
叶片扩压器
设叶片扩压器 b4 b3，则
v4 3D3 cos3 v3 4D4 cos4
由于 4 3 ，所以 v4 v3 ， 即叶片扩压器的扩散度大于 无叶扩压器。因此，叶片扩 压器的出口直径 D4 通常小 于无叶扩压器，适合于半径 限制比较严格的压气机

2ab ab
第四节 叶轮损失
分离损失
边界层分离
影响边界层分离的因素
Ma数
Re数 湍流度
与流动相关
逆压梯度
表面粗糙度 通道的扩张度等
与几何相关
第四节 叶轮损失
分离损失
表面粗糙度
取决于工艺水平 小雷诺数情况下叶片进口宜采用较大的粗糙度
当量扩张角
tan eq D2b2 cos 2m D1b1 cos 1m
2
Zl
式中， Z为叶片数；b 为叶轮进出口宽度
扩散因子（D因子，diffusion factor）
D wmax ws2 式中， s 为非工作面（吸力面） ws1
离心压缩机设计中，D因子通常小于0.4
第四节 叶轮损失

2 1
1
dp

Lf
Lu

u22 u12 2
w12 w22 2
(u22 u12 ) (w12 w22 )
v2uu2 v1uu1
2(v2uu2 v1uu1)
lu
v22 v12 2
2 1
1
dp

lf
lu
v2uu2
v1uu1

u22
lu

u22
u12 2

w12
w22 2

v22
v12 2
代入轮缘功，得到
u22 u12 2
w12 w22 2
v22 v12 2
lf
v22 v12 2

2 dp 1
（总）压缩功等上升很大程度上取决于进出口切线速度的差异，即 u22 u12 2
第二节 叶轮理论
径向扩压器轮盖表面流动痕迹的实物照片
离心叶轮出口
扩压器叶根、叶尖S1流面流线分布
性能特性
一个案例—结论
轴承； 18、止推轴承； 19、隔板； 20、回流器导流叶片； 21、中间冷却吸气管； 22、出气管
第一节 工作过程及性能参数
离心式叶轮机的应用——涡轮增压器
B-17 发动机增压器结构图
第一节 工作过程及性能参数
离心式叶轮机的应用——小型航空发动机
第一节 工作过程及性能参数
离心压气机的典型结构（军用）
轴向进气的进气管 径向进气的进气管 双支承轴承采用的径向吸气室
进气通道 螺旋通道 环形收敛通道
水平进气吸气室 双面进气吸气室
各种型式的吸气室
第三节 固定元件
进气装置
吸气室的筋
第三节 固定元件
扩压器
无叶扩压器
设无叶扩压器 4 3 ，b4 b3，则