燃气轮机5储运.ppt

第二章 压气机,压气机的特点及应用；轴流式压气机级、基元级的工作原理；轴流式压气机中的能量损失；多级压气机；压气机变工况工作特性；压气机喘振及防止方法。,2-0 概述,一、功能压气机是燃气轮机的一个重要组成部分主要作用：提高气体的压力，连续不断地向燃烧室提供高压气体。二、分类,三、特点及应用,主要介绍轴流式压气机的基本理论。（有些原理及方法也适用于离心式压气机）,2-1 轴流式压气机级的工作原理,一、轴流式压气机 气体质点大体沿着与旋转轴平行的圆柱形回转面上运动。燃气轮机中，轴流式压气机一般是多级的，一种回转式机械。1、结构简介 通常，轴流式压气机有两部分组成：定子部分和转子部分。,（1）压气机的定子部分（静子）,机壳（气缸）及固定在其上的静叶片、进出口导向叶片等零件，这部分固定不动。气 缸 静子的核心，其他静子部件固定在上面。整台机组的承力骨架，承受机组的重量、压缩空气的内压力以及其它的作用力。气缸的主要矛盾是刚性，目前广泛采用气缸外表面加筋来提高其刚性，以减小振动、变形，提高效率。,静 叶,静子：由若干圈安装在机壳（气缸）上的叶片组成。导流器或静叶栅：静子上的一圈叶片。导流叶片或静叶：组成导流器的叶片。静叶的功能：把气流动叶片获得的动能转变为压力能，以提高静压，同时使气流转弯以适应下级动叶的进口方向。扩压、导流,（2）压气机的转子部分（转子）,压气机的旋转部件，包括轮盘、轴、动叶以及装在一起的其它零件，如联轴器、气封等。转 子 由许多叶片安装在轮盘或整体式的轮毂上，与主轴一起组成的高速回转部件,对强度有较高的要求。它把从涡轮转来的扭矩传给动叶以压缩空气，提高气流静压和动能。扩压、增速 动叶栅或工作叶栅：安装在转轮上的一圈叶片（一个叶列）。动叶或工作叶片：动叶栅中的叶片。工作叶轮：每列动叶栅与带动它的转盘部分一起组成。将转子上的机械功传给气体，增加气体的压能和动能。,（3）压气机的通流部分,轴流式压气机内的动叶栅和静叶栅在轴线方向交替排列，每一列动叶栅后面都有一列静叶栅。由各列叶栅的通道组成压气机轴向通道，就是气体的流动通道，称为压气机的通流部分。在压缩的过程中，气体压力升高、密度不断增大，则气体容积逐级降低；由于气体的轴向速度基本不变，则压气机的通流部分应逐级收敛，即沿气流流动的轴向方向上，叶片的高度是不断缩短的。,进气管：压气机机壳进口处的气流通道。进口收敛器：布置在进气管的后面。使进入压气机的气流获得适当的加速，保证进口导流器前的气流具有均匀的速度场和压力场。进口导流器：位于第一个工作轮前面的一列静叶片，均匀在气缸上。使气流沿叶片高度以一定速度和方向进入第一级工作叶轮中。,出口导流器：最后一级静叶栅后面、均匀在气缸上的一列导向叶片。使最末一级静叶片出来的气流沿叶片高度转变为轴向流动。出口扩压器：在压气机通流部分出口、输气管前面形成的一段环形结构。使出口导流器中流出的气流均匀地减速，将部分剩余的动能（余速）进一步转化为压力能。输气管：压气机机壳出口处的气流通道。,2、轴流式压气机级,（1）定义一列动叶栅和它后面的一列静叶栅共同组成轴流式压气机的一个级。通常是由若干个级串联组成的多级压气机，各级的工作原理类似。压气机级的工作原理是基础。,由于单级压比较小，大约1.151.35，若总压比为617，那么需要816级组成的多级压气机。,（2）级的简图 主要结构参数,轮毂直径：级的内径Dh；机壳直径：级的外径Dt；平均直径Dm：通常按等分通流面积计算有时按算术平均值计算径向间隙sr；轴向间隙sx。,sr,sx,通流部分,主轴,工作叶轮,三个特征截面：1-1动叶进口；2-2动叶出口（静叶进口）；3-3静叶出口。,（3）压气机级内气流参数的变化规律,在动叶进口截面1-1处，气流静压力p1、温度T1、流速c1。当气流流过动叶栅时，动叶对气流做功，将轴上的机械能转换成气体的能量（焓及动能增加）。则在动叶出口截面2-2处，气流静压力、温度及速度都提高了。但气流在动叶中的相对速度w减小。当气流流过静叶栅时，静叶栅的渐扩通道使气流动能变成压力能，则气流流速下降，静压力进一步提高，温度稍有增加。,二、基元级及其速度三角形,1、基元级概念选取方法：在压气机级的某一半径R处，沿径向取一个很小的厚度R，这样形成的一个薄环。一个与压气机轴线同心的、包括级的一列动叶栅和一列静叶栅的正圆柱形薄环。一个压气机级可认为由相当多的基元级叠加而成。,R,R,选取目的：简化级内气体的流动,实际压气机叶栅内的气体流动是复杂的三元流动，气流参数在轴向、径向及圆方向上都有梯度，且随时间而变，还需考虑气体粘性。简化处理：将三维流动简化为二维圆柱面流动的叠加（取基元级）；对基元级内的气流流动进一步简化：假设气流参数轴对称，或取周向平均值；气流的径向分速很小，可忽略不计。气体是不可压缩的理想气体（无粘性）；气体流动是稳定流动。气体在基元级内的流动简化为不可压缩的、无粘性的、一元稳定流动。利用正圆柱面的基元级研究压气机，是简单而重要的方法。,计算不完善 分析复 杂,2、基元级的速度三角形,（1）坐标系的选取在圆柱坐标系中研究（轴向x、径向r、周向）绝对坐标系相对于整台压气机静止不动，又称静坐标系；从中观测到的气流速度为绝对速度，以c表示。相对坐标系相对于工作叶轮静止不动，即随叶轮沿轴线一 起旋转运动的坐标系，又称动坐标系；从中观测到的气流速度为相对速度，以w表示。如果工作叶轮以圆周速度u旋转的话，那么气流的绝对速度c就是其相对速度w和圆周速度的矢量和，即 c=w+u,（2）平面叶栅,将基元级叶栅在平面上展开，便成为平面叶栅，包括一列动叶栅和一列静叶栅。画时注意：叶片之间具有逐渐扩张的通道，即叶栅出口通流截面积f2大于其出口截面积f1（扩压器）；动叶片与静叶片的安装方向相反；注明动叶栅旋转方向（圆周速度u）；标明动叶栅（上）和静叶栅（下）；清楚压气机轴线的方向。,u,动叶栅,静叶栅,轴,（3）速度三角形,u,动叶栅,静叶栅,轴,动叶进口处来流速度C1，与周线方向(叶栅的额线)的夹角为1；动叶栅以u运动，那么气流以相对速度进入动叶栅，与叶栅的额线的夹角为1，称为气流的进气角。,c1,1,w1,w1=c1-u,c1,w1,u,余弦定律：,1,1,u,动叶栅,静叶栅,轴,动叶出口处气流流过动叶栅通道时，改变了方向，以相对速度w2流出（w2w1，压力升高扩压）；气流拐弯，则使出气角2大于进气角1；动叶栅以u运动，那么气流以绝对速度c2流出动叶栅，与叶栅的额线的夹角为2。,c1,1,w1,c2=w2+u,w2,u,余弦定律：,c2,w2,c2,2,2,u,动叶栅,静叶栅,轴,静叶栅气流流过动叶栅后进入静叶栅，因u=0，气流以绝对速度c2、气流角为2流入静叶栅，而后以绝对速度c3、气流角为3流出静叶栅。静叶栅不存在速度三角形。静叶栅具有渐扩通道，气流速度下降c3 c2，压力升高。一般c3 c1、3 1，即各基元级入口的绝对速度大小方向基本相同。,c1,1,w1,w2,c2,c3,3,正圆柱基元级的速度三角形 在压气机分析研究中，常把基元级三个特征截面的气流速度画在一起。,2,1,2,1,w1,w2,c1,c2,u,u,叶栅额线,c3,基元级的速度三角形,注意：定性地做出w1、w2、c1、c2的相对大小（w2c1）；标出相应的气流角1、2、1、2（21、21）；标出圆周速度u（大小方向）；在亚音速范围内，气流轴向分速度的变化相对较小，近似认为 c1x c2x c3x cx（实际情况轴向分速有些减小）,正圆柱基元级的速度三角形,2,1,2,1,w1,w2,cx,c1,c2,u,u,叶栅额线,轴向分速度cx,2,1,1,2,（4）几点说明,如果回转面不是正圆柱面，如离心式压气机时，则u1u2，c1xc2x。动叶栅进出口通流截面积f2f1，进出口相对速度w2 w1，且分别与f2、f1相垂直；气流流过动叶栅和静叶栅时，都是减速增压过程。气流流过动叶栅时，相对速度下降，其方向发生变化，即出现了气流的偏转，气流转折角为：=2-1,基元级的速度三角形,2,1,2,1,w1,w2,cx,c1,c2,u,u,叶栅额线,轴向分速度cx,2,1,1,2,气流转折角,气流转折角 的作用,转折角 的大小与相对速度下降的程度呈正比。从气流转折角的大小，可判断叶栅的扩张度，即叶栅的增压能力。转折角 越大，叶栅的通流面积扩张越大，其增压能力就越强。但转折角 过大，会引起气流流动恶化，级效率降低。通常最大转折角max不超过40 45。,基元级的速度三角形,2,1,2,1,w1,w2,cx,c1,c2,u,u,叶栅额线,轴向分速度cx,2,1,1,2,气流转折角,气流速度在基元级内的变化规律,气流通过基元级动叶栅时，绝对速度增加（动能增加）、相对速度下降（压力升高）；气流通过静叶栅时，绝对速度下降（动能减少、压力升高），而且流出基元级时的绝对速度大致可恢复到级前的水平。速度三角形是分析研究基元级工作原理的重要工具。,气流速度的变化是反映能量转换的重要表达式。下次课讨论：基元级内的能量转换情况,