离心压气机理论第一部分.ppt

和轴流式叶轮机械相比，在相同的转速和质量流量情况下，径流叶轮机械具有较高的比功传输能力；而在另一方面，由于气体在径流式叶轮中要改变流动方向，这就产生比轴流式叶轮机械中更加强烈的二次流动。径流式叶轮机械的展弦比也低一些，产生的摩擦损失也大一些，导致径流式叶轮机械的流动损失大于轴流式叶轮机械的流动损失。,离心压气机概述,早期燃气轮机，由于循环压比比较低，一般都在6左右，只需要一级离心压气机就能满足要求。随着要求的不断提高，燃气轮机的循环压力也在不断提高，这样离心压气机一级产生的压比不能满足要求，必须采用多级离心压气机。随着要求的不断提高，燃气轮机的循环压力也在不断提高，这样离心压气机一级产生的压比不能满足要求，必须采用多级离心压气机。多级离心压气机的采用，除了会使气路变得更加复杂以外，还会使燃气轮机的尺寸加大，重量增加。由于多级离心压气机存在上述缺点，使得设计人员在高循环压比的燃气轮机上都选择轴流式压气机。,离心压气机概述,离心压气机概述,自二次世界大战以来，各国都投入大量人力和物力对轴流压气机进行研究。这种努力一直延续到现在，以致于目前研制的轴流压气机效率经常高于涡轮效率尽管压气机的设计难度远大于涡轮设计难度。虽说轴流压气机效率比离心压气机要高一些，但在直升飞机、小型飞机、汽车上使用的燃气轮机动力装置、以及辅助动力装置依然使用离心压气机。,离心压气机概述,涡轮增压器是径流式叶轮机械应用的最为广泛的一个领域。如果说燃气轮机是改进叶轮机械设计和制造技术的驱动力，那么涡轮增压技术和涡轮增压器的广泛使用为径流式叶轮机械的发展提供了广阔的市场。废气涡轮增压的设想首先由瑞士人波希在1905年提出，当时获得了德国和美国的专利。1911年波希在单缸机上首次完成涡轮增压的台架试验。1925年，波希又提出了脉冲增压的设想。到1940年代，涡轮增压在船用和陆用大型发动机上得到了大量推广使用。直到1950年，涡轮增压器才在大型柴油机上得到广泛使用。,离心压气机概述,目前，工业发达国家对大、中功率的柴油机几乎全部实现了增压，至于车用柴油机中也有70以上采用了增压技术。在车用汽油机中，有的公司的增压机型已达到30左右。几十年的发展历史有力地表明涡轮增压是提高发动机功率和改善经济性的最有效的措施，也是发动机强化的必然途径，它已成为当前内燃机发展的重要方向。涡轮增压器中两个关键部件是压气机和涡轮。离心压气机则是涡轮增压器中首选的进气增压方式。,离心压气机概述,离心压气机应用实例-过程压缩机,图1 过程压缩机流程草图,进口导叶的主要作用是建立工质的入口流动角，以便在转子的入口产生一个预旋。叶轮通过绕轴高速旋转，产生一个很高的周向速度而对工质作功。弯曲通道的主要作用是引导工质进入回流通道。回流通道称为消除旋转导流叶片，因为在扩压器出口存在着一个很高的速度环量。可以在下一级叶轮前加上导叶，以保证工质进入叶轮的流动方向。,离心压气机概述,离心压气机应用实例-径流式压缩机和鼓风机,图2 高压头径流鼓风机,图3 一台离心压气机实际结构图,离心压气机概述,离心压气机应用实例-过程压缩机,图4 多级过程离心压缩机结构图,离心压气机概述,离心压气机应用实例-涡轮增压器,图6 一种典型的车用涡轮增压器,离心压气机概述,离心压气机应用实例-涡轮增压器,图7 一台径流压气机轴流涡轮增压器,图8 早期的径向式叶轮,离心压气机概述,离心压气机应用实例-涡轮增压器,图9 后弯式离心压气机叶轮 图10 先进的离心压气机叶轮-前倾后弯式叶轮,离心压气机概述,离心压气机应用实例-涡轮增压器,离心压气机概述,离心压气机应用实例-燃气轮机,图11 用于直升飞机上的小型燃气轮机,离心压气机概述,离心压气机应用实例-辅助动力,图12 使用离心压气机和向心透平的微型燃气轮机,MTR390-2C直升机发动机,MTR390主要参数,主要特点：模块化设计 较低油耗 重量轻,装有涡轮轴发动机的武装直升机,涡轮轴发动机,涡轮轴发动机,涡轮轴发动机,涡轴/涡浆发动机燃气发生器的技术特点离心式和混合(组合式)压气机回流环形燃烧室和折流环形燃烧室涡轮,若干现代涡轮轴发动机压气机结构型式、流量、压比,为什么采用离心压气机？因为单级压比大，由于流量小，可以保证出口端压气机末级叶片高度在合适的范围内，不会过小。,250-C30M涡轴发动机单级压气机压比高达8.6,MTR390，双级离心压气机,1250燃气轮机纵剖面,1250燃气轮机性能,输出功率 920kw输出轴转速 3150r/min压比 10.5空气流量 4.3kg/s高压涡轮进口温度 1260k燃油消耗率 306g/kwh,离心压气机发展现状,目前用于航空领域的这种压气机单级压比能够达到8。一些离心压气机叶轮使用钛合金作为原料。对离心压气机的研究一直集中在如何设计出高性能的问题上，尤其对于航空领域更是努力研究设计高性能离心压气机的方法。,图14和15取自凯利(Kenny，1984)发表的论文，这两张图给出了压气机目前所能达到的性能指标以及这些指标在近几十年内的变化过程。,图14 飞机燃气轮机上使用离心压气机的发展,图15 离心压气机每一级压比提高进展,离心压气机发展现状,凯利发现在过去的20年里，离心压气机效率大约以每年0.67%的速度稳步提升。这两张图上的大部分点是加拿大普惠公司在发展航空发动机上使用的离心压气机的试验数据，这些小型离心压气机的空气流量都在1kg/s2kg/s范围内。,离心压气机发展现状,图16给出了具有不同压比和流量的离心压气机与效率之间的关系曲线，从这张图可以看出离心压气机的工作范围比较宽广，这张图是在对很多压气机进行实验的基础上获得的。图中给出的等质量流量线是有限的，对其他等质量流量线可通过插值获得。从这张图中可以观察到的一个现象是，在质量流量不变情况下，效率随压比增加而迅速下降。,离心压气机发展现状,为了方便，定义离心压气机的主要特征截面有：00表示压气机的进口截面；11表示进气道和工作轮进口的交界面；22表示工作轮出口和无叶扩压器进口的交界面；33表示无叶扩压器出口和叶片扩压器进口的交界面；44表示叶片扩压器喉部截面；55表示叶片扩压器出口和蜗壳进口的交界面；66表示蜗壳截面型心；,离心压气机基本理论,图1 单级离心压气机剖面图,离心压气机叶轮可分为带叶冠叶轮和不带叶冠叶轮两种两种，前者又叫闭式叶轮，后者又叫开式叶轮。图2和图3给出了这两种叶轮形式。,离心压气机基本理论,图2 不带叶冠叶轮 图3 带叶冠叶轮,燃气轮机和涡轮增压器由于转速很高，通常使用开式叶轮。因为增加叶冠会增加叶轮质量，使转子惯性增加，从而导致整机性能恶化。开式叶轮离心压气机在工作时，叶轮旋转，而机匣静止，因此两者之间不可避免存在一个很小的叶尖间隙。对于很多大型过程压缩机，有很多则采用整体叶冠叶轮形式，其主要原因是这些压气机转速较低。,离心压气机基本理论,图2是现代燃气轮机和增压器上所使用的压气机叶轮。可以看出，叶轮叶片在出口处后弯。图2中的部分叶片并不是从叶轮进口开始一直延伸到叶轮出口，这些短叶片通常称之为分流叶片。,图2 不带叶冠叶轮,离心压气机基本理论,离心压气机上采用分流叶片是由离心压气机结构和性能两方面的要求决定的。在离心压气机中，随着流道半径的增加，叶片之间的周向距离也增加。为了保持流道半径在合适的范围内变化，从叶轮入口到出口叶片高度要大幅度减小。另外，为了让叶片载荷维持在所要求的水平，尽量减小分离流动区域的大小，需要在离心压气机叶轮后部使用分流叶片。采用分流叶片的目的是为了减小叶轮出口附近区域的叶片载荷。如果分流叶片的起始点延长到叶轮进口，会导致叶轮进口叶片数目过多，从而使叶轮极易产生堵塞流动现象。,离心压气机基本理论,离心压气机还可分为有叶扩压器和无叶扩压器形式两种，有叶扩压器的使用使压气机在设计点效率有一定的提高，但可能引起非设计点效率降低。在一些装置上，比如车用涡轮增压器上，一般不采用有叶扩压器形式，因为采用有叶扩压器会使压气机的工作范围变窄，制造成本增加。扩压器形式有很多种，主要有楔型扩压器，圆弧型扩压器，叶栅扩压器等。,离心压气机基本理论,离心压气机的工作原理可由叶轮机械的基本方程看出,离心压气机基本理论,对于轴流式叶轮机械，进口和出口半径近似保持不变，可以认为U2=U1，因此对轴流式叶轮机械，功是由流动角变化产生的。而对径流式叶轮机械，功是由流动角和半径变化两个因素引起的。这也是径流式叶轮机械压比(或膨胀比)高于轴流式叶轮机械压比(或膨胀比)的一个主要原因。,离心压气机的稳定工作范围受喘振和堵塞边界的限制，在这两点之间压气机可以正常工作。图5给出了一个典型的压气机性能图。从图中可以看出，当压气机转速保持不变时，随着质量流量减小，压气机压比增加，最后进入喘振边界。根据这张图可以很清楚地看出压气机稳定工作范围受左侧喘振线和右侧堵塞点的限制。,离心压气机基本理论,图5 典型的离心压气机性能图,喘振是压气机出现的一种不能正常工作的流动现象。和喘振区相对应的另外一个不稳定工作区域是堵塞区域，即随着流量增加，压气机内部某一个截面上，一般在有叶扩压器内部，或者在叶轮喉部气流速度等于当地音速的流动现象。评价压气机性能好坏的一个重要指标就是看喘振流量和堵塞流量之间的差别，两者之间的差别越大，说明压气机稳定工作范围越宽。对一些压气机最高效率圈可能很小，且靠近喘振线。一般情况下，压比越高，稳定工作范围越小。,离心压气机基本理论,离心压气机尺寸差距很大，微型离心压气机叶轮直径小于1厘米，而超大型离心压气机叶轮直径可以超过2米。它们工作转速的差别也很大，最低为几千转，最高可达500,000转。有的离心压气机叶轮成本很低(例如对于汽车用涡轮增压器压气机叶轮成本也就几十元)，而另外一些采用钛合金及其它贵重金属制作成的叶轮成本可能非常昂贵。,离心压气机基本理论,离心压气机级中产生的大多数或者绝大多数静焓增和静压比是依靠离心力产生的，因此离心压气机内产生压比的能力和叶轮叶片进出口的旋转速度密切相关。离心压气机这种加功特点决定了离心压气机在靠近旋转失速状态时，并不是象轴流压气机那样出现特性不连续现象。,离心压气机基本理论,离心压气机的加功原理,由叶轮机械的欧拉方程式(1)知，在叶轮进口无预旋情况下，上式可以写为,对于径流叶轮，假设出口气流方向沿着叶轮径向流出叶轮，即2b0，在这种情况下气流出口绝对速度的周向分量为,由于叶轮出口存在滑移流动现象，因此叶轮出口气流将向叶轮旋转方向的反向倾斜，实际的切向速度将是C2C2i，这里的就是滑移因子。,C2,C2,C2i,许多径流压气机的叶片在出口处都是后弯形状，对出口存在后弯角2b的叶轮，出口绝对切向速度为,考虑存在滑移流动现象，实际出口绝对切向速度为,后弯叶轮对单位质量气体的作功量为,2b,C2i,叶轮的三种形式,按照叶轮出口形状可以分成后弯叶轮、径向叶轮和前弯叶轮三种，如图7，图上还给出了速度三角形。,(a)后弯叶轮(b)径向叶轮(c)前弯叶轮图7 三种叶轮速度三角形,在叶尖旋转速度相同情况下，前弯叶轮的做功能力最强，径向叶轮次之，后弯叶轮做功能力最差。问题：为什么？因此，对于给定压比情况下，前弯叶轮可以在较小的转速下获得较高的压比。从工作的稳定性方面考虑，后弯叶轮工作最稳定，前弯叶轮稳定性最差，这也是后弯叶轮在实际中得到非常广泛应用的原因，而前弯叶轮很少得到应用。,叶轮的三种形式,C2,C2,C2,后弯叶轮,径向叶轮,前弯叶轮,图8给出了叶轮进口速度三角形，其中(a)图是轴向进气情况，在这种情况下C1C1a，(b)图是进口存在导流叶片，有预旋情况下的速度三角形，C1和C1a之间的夹角为进出速度存在预旋产生的夹角，绝对速度C1在周向上存在一个速度分量C1，对于图中给出的情况为叶轮进出存在正预旋的情况。,图8叶轮进口速度三角形,叶轮的三种形式,图9是叶轮出口速度三角形，图中虚线表示的是叶轮出口不存在滑移现象的速度三角形，实线为考虑滑移情况下的速度三角形。,图9 叶轮出口速度三角形，虚线表示无滑移，实线表示有滑移,叶轮的三种形式,无滑移速度三角形,有滑移速度三角形,压气机主要部件工作原理,进气道：进气道应保证进入叶轮的气流速度分布均匀，并尽可能使气流流动损失最小。研究结果表明，压气机叶轮入口流场径向分布不均匀会导致喘振边界向流量大的方向移动。进口导叶：进口导叶会在叶轮进口产生进口预旋切向速度C1，当这个速度方向和叶轮旋转方向相同时(C10)，由叶轮机械欧拉方程得知叶轮的作功量减小，当这个速度和叶轮旋转方向相同时小于0时(C10)会使叶轮的作功量增加。,压气机主要部件工作原理,叶轮离心压气机叶轮由两部分组成，一部分是叶轮进口段的轴流部分，称之为诱导轮，另外一部分是径向叶片部分。离心压气机进口使用经过良好设计的诱导轮能够提高叶轮的气动性能。进口不带诱导轮的叶轮通常轮缘曲线曲率半径比较小，曲率的变化也不光滑，这样很容易导致叶轮进口速度分布不均匀，会出现诱导轮进口轮缘上的气流速度比轮毂上的气流速度大得多的现象。,叶轮进口轮缘速度过高会产生下面的问题：1 使得轮缘附近的静压很低，气流必须经过再次减速才能把静压恢复过来。而减速正是产生损失的原因，因为减速会很容易导致气流在诱导轮进口附近轮缘上出现边界层分离流动现象。2 会导致叶轮攻角损失增加，从而引起叶轮效率的下降，叶轮在高速工况下更易出现堵塞现象，使叶轮工作范围变窄。3 会导致气体密度的下降，严重的时候还会在这里产生超声速气流，虽然气流的平均速度还远低于声速。叶轮进口气流速度分布不均会为设计性能优越的叶轮带来困难。,叶轮,压气机主要部件工作原理,进口诱导轮最重要的特点是它的存在使得叶轮喉部面积比没有进口诱导轮的喉部面积大了许多。图11给出的是两个叶轮子午面视图，压气机A带有诱导轮，出口有30的后弯角，压气机B是工业用压气机，没有进口诱导轮，后弯角40。这两个叶轮主要几何尺寸相同，叶轮进口半径和出口半径都是相同的，叶轮出口处的叶片高度也相同，并且两个压气机都使用无叶扩压器。,叶轮,压气机主要部件工作原理,图11 具有相同叶轮直径和出口叶片高度的两个叶轮性能比较A叶轮有诱导轮和30后弯角，B叶轮无诱导轮，有40后弯角,图11是由Eckard实验得到的这两个叶轮的压比和流量特性曲线。应该注意到，没有进口诱导轮的B叶轮最大流量较小，这个叶轮在转速为16000r/min，质量流量为6kg/s时发生堵塞流动现象，而在同一转速下，有进口诱导轮的A叶轮在流量超过了7kg/s时仍没有发生堵塞流动现象。,叶轮,压气机主要部件工作原理,图11 具有相同叶轮直径和出口叶片高度的两个叶轮性能比较A叶轮有诱导轮和30后弯角，B叶轮无诱导轮，有40后弯角,工业用压气机由于转速较低，所以发生堵塞流动的可能没有航空发动机和增压器那么严重。多级离心压气机是工业用压气机通常采用的形式。由于在同一根轴上有很多级压气机，这样轴的总长度就变得非常重要。采用诱导轮结构的离心压气机，压气机轴向长度就要增加，因此会导致多级压气机轴向长度增加很多，这也是多级离心压气机不采用进口诱导轮的主要原因。,叶轮,压气机主要部件工作原理,而没有进口诱导轮，就会减小轴的长度，这样会减小轴的半径，也就可以增加叶轮进口流通面积。通过限制叶轮转速和压比，就可以保证这种无诱导轮的多级压气机获得较高的效率和较大的堵塞流量。,叶轮,压气机主要部件工作原理,离心压气机增压比的获得并不是依靠进出口相对速度的变化获得的，而主要是依靠气流在叶轮和扩压器中运动所受的离心力获得的，因此离心压气机叶轮进出口相对马赫数变化并不大，这一点是离心压气机和轴流压气机的一个主要差别。和轴流压气机叶片相比，离心压气机叶轮的另外一个特点是叶片的展弦比通常非常低，叶片槽道的长度远大于叶片高度，因此在离心压气机叶片槽道内邻近固体表面的剪切区域内极有可能产生很大损失。离心压气机叶轮的另外一个几何特点是叶轮出口面积比进口面积增大很多。,叶轮,压气机主要部件工作原理,问题：离心压气机的工作过程有什么特点？比较离心压气机和轴流压气机展弦比及叶片槽道，进出口面积。,叶轮出口相对流动流通面积可由下式计算为,观察式(4)可以看出，决定叶轮出口面积A2的最关键因素是叶片高度b2，如果增大叶轮出口b2，那么就会使2A2/1A1的比值增大。,式中，2b是叶片后弯角，b2 是出口处叶片高度，t是叶片厚度，ZB是叶片数目。,叶轮进出口相对速度比由下式计算,(4),叶轮,压气机主要部件工作原理,问题：叶轮出口叶片高度对增压比有什么影响？,对于高压比的离心压气机，由于出口密度比进口密度增大很多，当比值2A2/1A1不能超过一定数值情况下而只能不使A2过分增大，这能通过减小b2来实现，因此会使叶顶泄漏问题变得更为严重。对于不带诱导轮的离心压气机叶轮，通常情况下叶轮出口带由很大的后弯角，因此会允许b2值取得过大一些而不会引起A2增大很多。,叶轮,压气机主要部件工作原理,由于离心压气机叶轮的特定结构，导致很难避免离心压气机叶轮内出现分离流动现象。德尼(Dean)和西诺Senoo(1960)首先对离心压气机叶轮内分离流动现象的本质进行了研究，提出了射流-尾迹的流动模式。,叶轮,压气机主要部件工作原理,什么情况使用开式叶轮和闭式叶轮。由于较大的叶尖间隙的存在使得压气机的性能恶化。如果叶轮相对于机匣的轴向窜动很小的话，那么就能够保证较小的叶尖间隙。在这种情况下，叶尖间隙泄漏所造成的损失较小，没有必要使用闭式叶轮。对于多级压气机，压气机轴的轴向窜动很大，这样就不能保证叶尖间隙较小，因此会使叶尖间隙泄漏损失增大，为了避免出现这种情况，在多级压气机上经常使用闭式叶轮。即使在多级压气机中，在靠近推力轴承的那一级也可以使用开式叶轮，因为在这个位置上由于止推轴承的存在可以使叶轮的轴向窜动量很小，能够保证叶尖间隙很小。,叶轮,压气机主要部件工作原理,图12给出了两个离心压气机子午面示意图，左图是典型的具有进口诱导轮的开式叶轮，右图是没有进口诱导轮的闭式叶轮。,叶轮,压气机主要部件工作原理,图12 两个离心压气机子午面示意图,从结构角度出发，使用闭式叶轮两个优点是：1 可以减轻推力轴承上的轴向载荷，对于高压比压气机能够减轻轴向载荷的这种特性更显得尤为重要。2 叶轮叶片很难出现震动现象。使用闭式叶轮的缺点是：1 闭式叶轮的使用使得叶轮设计更加复杂。2 增加了叶轮质量，质量的增加使叶轮惯性增加，瞬态响应特性变差。3 质量增加意味着叶轮承受应力应力增加，因此闭式叶轮旋转速度不能过高。对于采用铸铁材料制造的离心压气机，开式叶轮能够承受最大叶尖速度为380430m/s，而闭式叶轮却只能承受300360m/s的最大叶尖速度。,叶轮,压气机主要部件工作原理,一 叶轮入口,离心压气机第一个重要截面是导叶出口，或者叫叶轮入口，图13给出了叶轮入口速度三角形，定义与叶轮旋转方向相同的角度和速度分量为正，与叶轮旋转方向相反的速度和角度为负。,图13 叶轮入口速度三角形,叶轮,压气机主要部件工作原理,对于入口流动C10，叶轮入口相对流动角是由入口子午速度Cm1和叶轮旋转速度U1决定的。当叶轮入口相对气流流动角1和叶轮入口叶片角1b相等时，叶轮入口气流很顺利的流入叶轮，但是在很多情况下，叶轮入口相对气流角并不能保证与入口叶片角完全相同。1可能大于1b，也可能小于1b。这时叶轮入口存在着攻角，攻角大小即为1b和1之差。可以采用入口预旋叶片改变叶轮进口的流动状态，如果在叶轮入口C10，则在叶轮进口产生的是正预旋。如果在叶轮入口C10，则在叶轮进口产生的是负预旋。定义入口攻角为i1 1 1b，式中1b是入口叶片角。,叶轮,压气机主要部件工作原理,一 叶轮入口,质量流量为,式中Af1CD(r1t2 r1h2)，CD是考虑入口存在边界层情况下的流量系数。切向速度C1大小是由入口导叶决定的，当进口没有导叶情况下，C1=0，由叶轮进口速度三角形可以写出下面的计算公式,叶轮,压气机主要部件工作原理,一 叶轮入口,叶轮,压气机主要部件工作原理,一 叶轮入口,二 叶轮出口,叶轮,压气机主要部件工作原理,图14给出了叶轮出口速度三角形，子午速度Cm2由质量连续方程获得，叶轮出口绝对气流角是由叶轮出口相对气流角和叶轮旋转速度决定的。径向叶轮，出口叶片角2b0。后弯式叶轮3040，甚至具有更大角度。,图14 叶轮出口速度三角形,叶轮出口气流不会完全沿着叶轮出口中线的切线方向流出叶轮，叶轮出口相对气流角2和叶轮出口叶片角2b并不相同，这就是所谓的滑移流动现象。定义滑移速度C，则C C 2i C 2，式中C2i是在叶轮出口不存在滑移流动现象的理想情况下绝对气流速度在周向上的分量。离心压气机叶轮设计面临主要问题是确定滑移因子和流动损失。,二 叶轮出口,叶轮,压气机主要部件工作原理,图14 叶轮出口速度三角形,对于径向叶轮和后弯叶轮，出口绝对气流角2都较大，2的数值在5080范围内，最常见的在6575之间。问题：离心压气机做功能力和出口绝对气流角大小有什么关系？当出口速度三角形确定以后，由出口速度三角形及滑移速度，可以确定叶轮出口周向绝对气流速度为,二 叶轮出口,叶轮,压气机主要部件工作原理,式中叶片角2b通常为负。,子午速度为Cm2m/2Af2(16)式中Af2CD2r2b2式中CD为流量系数。由于出口存在叶片边界层或者低动量流体，出现堵塞效应。因此引入CD考虑由于边界层低动量流体产生的堵塞效应。在叶轮出口速度三角形确定后，叶轮出口其他气动参数可由下面几个公式计算密度,二 叶轮出口,叶轮,压气机主要部件工作原理,温度比,压比,二 叶轮出口,叶轮,压气机主要部件工作原理,由上可知，叶轮出口参数计算所用公式与叶轮入口计算所用公式基本相同，同时应注意到存在三个差别。1 在计算叶轮出口参数时使用了叶轮机械的欧拉方程，欧拉方程把叶轮进出口滞止温度和进出口速度三角形联系了起来。2 要想获得叶轮出口速度三角形和其他气动参数，应给定叶轮出口滑移速度或者滑移因子，或者由经验公式计算得到滑移因子。3 在上述计算中，并不能获得叶轮出口总压，对于不同的设计机构，采用不同的计算方法得到出口总压，一般是通过规定转子等熵效率的办法确定出口总压，转子等熵绝热效率为,二 叶轮出口,叶轮,压气机主要部件工作原理,问题：实验测量压气机效率时，需要测量哪几个参数？,二 叶轮出口,叶轮,压气机主要部件工作原理,三 滑移和滑移因子看书,目前后弯叶轮组成的离心压气机无论是在燃气轮机还是在涡轮增压器中都得到非常广泛地应用。在相同叶轮旋转速度情况下，后弯叶轮的压比要小于径向叶轮的压比。对于压比很高的压气机，叶轮总是在叶尖速度所允许的极限工况下工作，如果在这种压气机中使用后弯叶轮，就会使压气机的压比下降，而为了保证原来的压比，就必须要提高叶轮的旋转速度。因此对于增压比要求非常高的离心压气机，在使用后弯叶轮获得的压比达不到要求时，在这种情况下则只能采用径向叶轮。,径向叶轮与后弯叶轮,U2Cm2tan2b,后弯叶轮能够增强压气机的稳定性可以从叶轮的做功能力随质量流量的变化得到证实。可以推导出C2U2C Cm2tan2b(注意对于后弯叶轮，式中叶片角2b通常为负，因此最后一项前面为“”号)。C是滑移速度。,径向叶轮与后弯叶轮,如果U2保持不变，近似认为C为常数，则能够引起C2变化的参数有两个，一个是Cm2，一个是叶片后弯角2b。根据叶轮机械的欧拉方程WxU2C2 U1C1可以看出，当子午速度增加，或者当叶片出口后弯角增大时，都会引起出口切向速度下降，使叶轮对单位质量气体作功量下降。,径向叶轮与后弯叶轮,C2U2C Cm2tan2b,保持不变,Cm22b,C2,对于径向叶轮，2b 0，这时Cm2的变化不会对叶轮的做功量产生影响，换句话说对于径向叶轮，气流质量变化不会引起叶轮对单位质量气体的做功量产生变化。对于后弯叶轮，当质量流量增加，Cm2增加，因此后弯叶轮对单位质量流体的做功能力下降，导致压比下降，压比流量特性曲线斜率为负。因此径向叶轮压比流量特型曲线斜率的负值没有后弯叶轮大。C2U2C Cm2tan2b,径向叶轮与后弯叶轮,径向叶轮,后弯叶轮,研究结果表明，在气动上不存在一个最佳出口叶片角。由于受机械加工和应力分布水平的限制，使出口叶片角(也即叶片后弯角)不能取的过大。叶片后弯角的增加会产生下面一些问题：(a)为了保证原有压比，必须增大叶轮直径、或者提高叶轮旋转速度，这样会使叶尖速度增加，从而导致轮盘和叶片应力增加；(b)后弯叶轮的叶片是非径向结构，这样会使叶片产生离心应力；(c)为了保此原有压比，在旋转速度不变下，可增加叶轮直径。叶轮直径的增加，也即增大了叶轮惯性。叶轮惯性的增加，对叶轮瞬态响应，尤其对涡轮增压器的瞬态响应是有害的。C2U2C Cm2tan2b,径向叶轮与后弯叶轮,扩压器,离开离心压气机叶轮气流绝对速度还很高，通常情况下和半径方向有很大夹角，如果要想使压气机具有较高的压比和效率，就要使用扩压器把气流的动能进一步转化成压强。扩压器的作用就是把气流动能进一步转化为压力能，从而提高气体的静压。扩压器的形式主要有两种：无叶扩压器和有叶扩压器。当要求压气机具有较宽的稳定工作范围和较低成本，就要使用无叶扩压器。当在给定的尺寸范围内使用无叶扩压器不能获得要求的压比情况，就要使用有叶扩压器。,无叶扩压器形状简单，无叶扩压器是由两个侧壁构成的环形通道。有叶扩压器是在两个侧壁所组成的环形通道中设置一系列叶片就构成了叶片扩压器，其作用与无叶扩压器相同，只是扩压能力比无叶扩压器强。有叶扩压器可采用楔型或者气动叶型。扩压器轴向长度b 在半径方向上可以改变，也可以保持不变。当b保持不变的情况下，扩压器壁面由两个平行壁组成。当b沿半径方向减小情况下，为收缩式扩压器壁面，很少采用扩张形。,扩压器,扩压器,有叶扩压器有很多种形式:广泛使用的扩压器是楔形扩压器。气动叶型扩压器。在同等扩压能力下，气动叶型扩压器的外径要小于楔形扩压器外径，而比较大的外径对于离心压气机来说是一个很大的缺点。另一方面，气动叶型扩压器的气动叶型也增加了设计难度。,通常用压强恢复系数描述扩压器性能，定义为,扩压器,5代表扩压器出口，3代表扩压器入口。,在叶轮和扩压器之间的区域是无叶扩压区域，因此可以把这段区域当作无叶扩压器内流动进行处理。当有叶扩压器叶片前缘半径为叶轮半径的1.1左右时，有比较好的压气机性能。为了减小叶轮振动，可以使半径比大一些。,在无叶扩压器内部，气流的运动轨迹是一个对数螺旋线；在有叶扩压器内部，更接近于径向运动。在扩压器进出口半径相同的情况下，有叶扩压器使气流的运行轨迹变短。进入扩压器切向速度分量通常为径向速度分量的3倍左右，因此扩压器内产生的压升主要是通过减小切向速度分量得到的。,扩压器,离心压气机的扩压器宽度远小于叶轮直径。两者之间的比值通常为0.02b2/D20.12。这意味着对于有叶扩压器，叶片的展弦比有可能远小于1。这种外形尺寸不利于获得理想的压强恢复。对于无叶扩压器，b2/D2较小意味着气流的径向路径远长于气流的轴向路径，这样会使粘性影响增大。,扩压器,弯管和回流器一 弯管对于多级离心压气机，除末级以外的其他各级，为了把扩压器中出来的气体引入到下一级，在扩压器后安装有如图21所示的弯管和回流器，弯管中一般不装导流叶片，气体在弯管中的流动遵循连续性定律和动量矩定律。,图21 弯管中气流的圆周运动,气体在弯管中的径向和切向速度的分量变化的规律可以分别写为,弯管和回流器一 弯管,这里，下标“5”、“6”分别表示弯管进口截面(即扩压器出口截面)及出口截面(回流器进口截面)。一般D5D6，若取b6b5，65，则有,因此存在 65，C6C5。,气体绕S点作转弯运动时，由于受离心力的作用，转弯后运动速度Cm在66截面上是不等的，随转弯半径r的增大而减小，在A点处为最大值Cm1，在B点处为最小值Cm2。而在该截面上的切向速度C的大小是一样的，这样A、B两点气流的合成速度CA和CB不等，CACB，,弯管和回流器一 弯管,弯管和回流器二 回流器,回流器接在弯管的后面，是用来使气体以轴向方向或以所需方向进入下一级的固定件，所以回流器中都装有叶片，消除气流在周向上的速度分量，使气流沿轴向流入下一级叶轮，同时使气流流动损失尽可能地小。在回流器内部，允许气流存在较小程度的扩压流动或者加速流动现象。回流器内部还存在着比较强烈的二次流动现象。,弯管和回流器二 回流器,由图23(b)可以看出，在叶片前缘端壁在靠近叶片前缘时卷起，形成涡，这个涡会占领整个叶高区域。,(b)前缘涡；(c)通道涡；(d)类似的涡轮叶片内流动图23 多级过程压缩机中的流路,叶片槽道内端壁边界层内流体过渡偏转导致气流在叶片槽道内形成通道涡(图23(c)，边界层内流体由于速度较低，压强梯度作用在气体微团上的作用力大于离心力，导致气体微团的运行轨迹向吸力面一侧发生偏转。,弯管和回流器二 回流器,(b)前缘涡；(c)通道涡；(d)类似的涡轮叶片内流动图23 多级过程压缩机中的流路,回流器叶片中线一般是圆弦形的。对于回流器的设计，可以采用两种形式一种是周向速度C由叶片进口到出口线性减小的形式(CCR叶片)，另一种是动量矩rC由叶片进口到出口线性减小的形式(MMR叶片)。对于周向速度C线性减小的设计方法，叶片中线周向坐标i(图24)为,弯管和回流器二 回流器,弯管和回流器二 回流器,叶片中线切线方向与径向间夹角为,式中，R7=r7/r6，Ri=ri/r6。i表示回流器叶片上的某一个位置，P是叶片入口动量与叶片出口动量之比，i和6b的单位是角度，i单位是弧度。,对于动量矩rC由叶片进口到出口线性减小的方案，叶片中线周向坐标i为,弯管和回流器二 回流器,i 为,式中，R7=r7/r6，Ri=ri/r6。i表示回流器叶片上的某一个位置，P是叶片入口动量与叶片出口动量之比，i和6b的单位是角度，i单位是弧度。,图25比较了CCR叶片和MMR叶片在几何形状上的差别。根据图25可以发现，气流在CCR叶片槽道内周向速度减小程度比较均匀，而在MMR叶片中，气流在叶片出口速度减小梯度较大。,弯管和回流器二 回流器,图25 回流器采用MMR叶片和CCR叶片叶形比较,应当注意，回流器叶片出口尾缘中线的切向方向完全沿径向方向时并不能使出口气流完全沿着径向方向流出叶片，而是依然存在着一定的周向速度值C，这是由于出口气流存在着偏转现象导致的。为了保证叶片出口C0，出口叶片中线与径向之间的夹角应为某一个负值。因此考虑到气流出口角7和7b会相差一个落后角，故可使7b向相反旋转方向增加57，以使实际的气流出口角7尽可能接近0，以便使气流以轴线方向进入下一级叶轮。,弯管和回流器二 回流器,在某些特定情况下，当要求进口叶轮的气流具有一定的旋度(即C10)时，可以用改变前一级回流器叶片出口角的方法来实现。此时，要求7b0，可以将前一段回流器的出口部分当成下一级的进口导流叶片使用，利用它来获得下一级所需要的预旋。弯管、回流器以及其后的转弯段合在一起的流动损失值也不小，有时可达级能量的6%8%，与扩压器中的流动损失大小接近。因此减小这段的流动损失也是相当重要的。,弯管和回流器二 回流器,回流器叶片型式有等厚度和变厚度形式。当采用等厚度叶片时，可以使回流器流道宽度b基本上保持不变，而等厚度回流器一般都做成回流器宽度逐渐向内径方向增大，这样，就可以使上述两种情况下沿回流器的流道截面面积变化不大，以达到气流速度均匀，损失小的目的。一般不希望回流器中C7C6，这是因为回流器中流道表面比较粗糙的情况下，在C7C6的扩压流动中会带来较大的损失。如果扩压器出口的气流速度较高，希望气流在回流器中得到一定得扩压，此时应提高回流器表面的光洁度，以减小流动损失。由C7到C6的速度变化要均匀，否则就要改变叶片的厚度或通道宽度b及D来改善流动状况。,弯管和回流器二 回流器,离心压气机叶轮增压特点,根据叶轮进出口滞止转焓相等这个条件，可以得出下式计算叶轮进出口静焓升为,上式左端是叶片进出口静焓的变化，右端第一项是叶片进出口旋转速度所具有的动能对静焓变化的贡献，第二项是进出口相对速度的下降对静焓变化的贡献。对于气动性能比较好的带有诱导轮的离心压气机叶轮，由离心力效应产生静焓升占总静焓升的58%，而有进出口相对速度的下降产生的静焓升占总静焓升的42%。,占总静焓升的58%,占总静焓升的42%,在离心压气机中相对速度的减速过程也伴随着损失的产生，由于有损失的存在，导致离心压气机叶轮中获得的实际压比将低于相同焓升在等熵情况下获得的压比。对于依靠离心力效应产生的焓升并没有损失，是一个等熵过程，换句话说，离心效应所产生的焓升全部转化成了压比。,离心压气机叶轮增压特点,占总静焓升的58%,占总静焓升的42%,没有损失,有损失,对于一个离心压气机叶轮，假设叶轮中根据静压比计算得到的叶轮总对静效率是90%，其中58%的压比是依靠没有损失的离心效应过程产生的，42%的压比是依靠相对速度的下降产生的，全部10%损失是由相对速度的下降产生的，因此依靠相对速度获得的焓升是一个低效率过程。,离心压气机叶轮增压特点,占总静焓升的58%,占总静焓升的42%,没有损失,有损失,虽然离心压气机中大部分焓升是依靠没有损失的离心效应产生的，但离心压气机的几何结构特点决定了离心压气机内流动不可避免会产生较高的流动损失。离心压气机叶片槽道相对很长，因此展弦比（叶片高度与叶片弦长的比值）比较低，离心压气机叶轮的展弦比通常大约在0.20.3之间，和轴流压气机的展弦比相比，离心压气机展弦比要比离心压气机展弦比要小得多。离心压气机扩压器的展弦比更低。上述两个结构特点不可避免会导致叶片表面摩擦损失较大。,离心压气机叶轮增压特点,当离心压气机采用后弯叶轮后，会导致气流在扩压器内的扩压程度减小，因为当叶轮采用后弯形式后，叶轮出口绝对速度降低，因此压气机的反动度增大。例如，根据上面的参数，分析带有30后弯角叶轮的反动度大约是0.67。,离心压气机的增压特点,C2,采用后弯后叶轮出口绝对速度降低。,扩压器的增压特点,对于一个气动性能比较好的扩压器，可以使进口气流所具有的一半动能转化为势能。经过分析可以发现，对于一个典型的离心压气机，叶轮中的静焓升h2h1U22，扩压器中的静焓升h3h20.84U22，由上面的数字可以看出在扩压器内获得的静焓升和静压升在整个压气机总的静焓升和总的静压升中占有很大比例。,离心压气机的反动度为,反动度：叶轮中焓升和级焓升比值。,由于扩压器入口气流参数分布很不均匀，并且扩压器内部存在反向流动现象，导致扩压器内的流动损失较大，实际产生的压比和理想情况下产生的压比存在较大差别，因此存在较大的滞止压强损失。在扩压效率方面，叶轮的扩压效率要高于扩压器的扩压效率，选择后弯式叶轮的目的就是把气流扩压过程尽可能多地分配给叶轮完成，这样会使压气机的效率更高一些。,扩压器的增压特点,叶片载荷近似计算方法,对叶片载荷的计算方法进行推导。在推导过程中假设流动参数沿叶高方向上均匀分布，当然这是一个近似假设，由于子午流线有很大的曲率，并且流动受粘性影响，因此实际流动不可能是均匀的。,为了简化推导过程，认为流动方向和子午面的夹角在叶片槽道内是相同的，等于叶片角。叶片后弯角和旋转方向相反时，取为负，假设叶片数目足够多，叶片槽道宽度r，由于假设叶片数目足够多，因此数值很小。,经过推导得出的结果为,叶片载荷近似计算方法,上式右端第一项是直叶片叶轮中产生的载荷，在此类叶轮出口附近区域子午流线和轴向之间的夹角90，对于无后弯叶轮0，从而得出简单的速度差计算公式为,叶片载荷近似计算方法,叶轮叶片产生的载荷,平均流做加速运动产生的,叶片表面曲率变化产生的载荷,问题：和轴向不垂直的出口以及后弯叶轮对出口载荷有什么影响？,分析上式可以发现：要想增加叶片载荷，d/dm为负要想减小叶片载荷，d/dm为正,叶轮沿m方向的分布情况,叶片载荷近似计算方法,m,为了考察这一项对叶片载荷的影响，应综合考虑b的变化。当b/m0情况下，会增大叶片载荷，也即会增大叶片吸力面和压力面上的速度差。当b/m0情况下，会减小叶片载荷，也即会减小叶片吸力面和压力面上的速度差。,叶片载荷近似计算方法,在压气机流道内，流道宽度b是减小的，而是