燃气涡轮发动机-压气机（课件）
第4章 压气机
压气机功用
对流过它的空气进行压缩,提高空气的压力。
压气机分类
离心式压气机
空气在工作叶轮内沿远离叶轮旋转中心的方向流动
轴流式压气机
空气在工作叶轮内基本沿发动机的轴线方向流动
混合式压气机
目前常用的是轴流式压气机
4.1 离心式压气机
组成
导流器（进气装置）：使气流以一定的方向进入叶轮， 以减小流动损失。
叶轮：叶轮是高速旋转的部件，对空气作功，提高空气的压力。
扩压器：通道是扩张形的，空气在流过它时，速度下降，压力上升。（降速扩压）
导气管：使气流变为轴向，将空气引入燃烧室。
4.1 离心式压气机
组成
叶轮：从结构上叶轮分单面叶轮和双面叶轮两种。
单面叶轮是在轮盘的一侧安装有叶片，从一面进气；
双面叶轮是指在轮盘的两侧都安装有叶片， 从两面进气。
双面叶轮的优点：
可以增大进气量，
对于平衡作用在轴承上的轴向力也有好处。
4.1 离心式压气机
增压原理
扩散增压原理：通道是扩张形的，空气流过时，速度下降，压力提高。
离心增压原理：气体流过叶轮时，由于气体随叶轮一起作圆周运动，气体微团受惯性离心力的作用，圆周速度越大，气体微团所受的离心力也越大，因此，叶轮外径处的压力远比内径处压力高。
4.1 离心式压气机
离心式压气机的优缺点
单级增压比高,一级的增压比可达4:1－7:1 ,甚至更高; 稳定的工作范围宽;结构简单可靠结实;重量轻;所需要的起动功率小。
流动损失大，尤其是级间损失更大，最多两级；效率较低，最高只有83％－85％，甚至不到80％;单位面积的流通能力低，迎风面积大，阻力大。（不能多级增压）
常用于小型发动机上,就是因为它简单结实。
4.2 轴流式压气机
组成
转子
对空气作功，压缩空气，提高空气的压力
由工作叶轮和连接件构成
静子
使空气扩压, 继续提高空气的压力
由整流器(整流环)和机匣构成
1级=1个工作叶轮+1个整流器
工作叶轮与整流环交错排列就形成了多级轴流式压气机。
为了保证压气机工作稳定，在第一级工作叶轮前还有一排不动的叶片叫进气导向器。其功用是引导气流的流动方向，产生预旋， 使气流以合适的方向流入第一级工作叶轮。
4.2 轴流式压气机
4.2 轴流式压气机
与多级轴流式压气机收敛形通道相适应，各级压气机叶片具有下述特征：
叶片高度逐级变小；
叶片弦长逐级变短；
叶片数目逐级增多。
例如PW4000发动机的风扇有38片叶片,而高压压气机第九级有108片叶片。
4.2 轴流式压气机
轴流式压气机的优点
增加级数提高压气机的总增压比;可以改善效率,进而改善了给定推力下的耗油率。
单位面积的流通能力高，比离心式压气机在相同的迎风面积时的空气流量多，推力就大，再加上总增压比高，推力就更大。
轴流式压气机的缺点
单级增压比低：1.15:1~1.35:1。这是因为要避免空气在转子叶片上发生分离和失速而引起的损失，所以流动通道的扩张度和叶片的弯曲程度都很有限。
结构复杂
4.2 轴流式压气机
多级：由于轴流式压气机的单级增压比低，而整台压气机的增压比高，一般在10~25范围内，有的更高，又由于整台压气机的增压比等于各级增压比的乘积,所以轴流式压气机都是多级的。
推力大：由于轴流式压气机的单位面积的流通能力高，比离心式压气机在相同的迎风面积时的空气流量多，推力就大，再加上轴流式压气机的总增压比高，推力就更大。
4.2 轴流式压气机
基元级的工作原理
压气机级的特征面：
①－①: 叶轮进口截面;
②－②: 叶轮出口截面, 整流环进口截面;
③－③: 整流环出截面,
主要几何尺寸要:
级的外径 Dt
级的内径 Dh
径向间隙 δ
轴向间隙 Δ
4.2 轴流式压气机
在轴流式压气机中,无论是工作叶轮,还是整流器两个相邻叶片间的通道是扩张形的。
1级=1个工作叶轮+1个整流器
在压气机的最前边还有一排不动的叶片,叫进气导向器。
4.2 轴流式压气机
叶栅和基元级
环形叶栅
平面叶栅
基元级
4.2 轴流式压气机
基元级速度三角形
绝对速度c：在静止坐标也就是绝对坐标上观察到的空气流过动叶的速度。
相对速度w：在运动坐标也就是相对坐标上来观察到的空气流过动叶的速度。
牵连速度u：叶轮旋转的圆周（切向）速度。
4.2 轴流式压气机
基元级速度三角形
进口处速度三角形c① =w① +u①
出口处速度三角形c② =w② +u②
基元级速度三角形
4.2 轴流式压气机
决定基元级速度三角形的因素：
c①a ：叶轮进口处绝对速度在发动机轴线方向的分量；
c①u ：第一级叶轮进口处绝对速度在切线方向的分量叫预旋；
正预旋： c①u的方向与圆周速度u的方向相同。
反预旋：c①u的方向与圆周速度u的方向相反。
预旋是由进气导向器产生的。目的是为了防止压气机喘振；
u ：叶轮旋转的圆周（切向）速度；
Δwu ：叶轮进，出处相对速度在切向分量之差叫扭速。
4.2 轴流式压气机
基元级增压原理
基元级由工作叶栅和整流器叶栅通道组成,两处叶栅通道均是扩张形的。
当空气流过工作叶轮叶栅通道时, 由于高速旋 转的叶片对空气作功, 使气流的绝对速度增大, 同时由于两个相邻叶片间的通道是扩张形的, 则使气流的相对速度降低,相对运动动能转变 为压力位能,使气流的压力和温度上升。
当气流流过整流器叶栅通道后，由于整流器中 两个相邻叶片间的通道也是扩张形的，使气流 的绝对速度降低，绝对运动动能转变为压力位 能和内能，使气流压力进一步提高，温度也继 续上升，
不论是叶轮还是整流器, 空气增压都是由于高速旋转的叶片对空气作功的结果。
4.2 轴流式压气机
多级轴流式压气机
根据流量连续有:在不考虑引气的情况下,流过压气机出口的空气流量等于压气机进口处的流量, 即
在压缩过程中随着压力的提高,气流的密度也逐渐提高,即, 所以有:
在这种情况下,为了满足连续方程,原则上可以采用下述三种方法:
4.2 轴流式压气机
多级轴流式压气机
流程形式为了保证流量连续，
从前到后压气机的流动通道是收缩形的。所以压气既叶片由第一级是逐渐减小,叶片的弦长逐级减小,叶片的数目逐级增多。
等外径的结构型式：用外径不变,增大内径的方法保证流道收缩。这种流道的优点是各级的圆周速度较大,可以提高每级的加功量,减少级数, 同时,机匣比较容易加工。它适用于大流量,中等增压比的压气机;
等内径的结构型式：用内径不变,缩小外径的方法保证流道收缩。与等外径相比,在迎风面积一样时,如果增压比一样,则最后一级叶片的高度比等外径的要大,因而可以减小端面的损失,提高级的效率, 但在相同的增压比下,等内径压气机的级数比等外径压气机的级数要多一些。它适用于小流量,高增压比的压气机;
等中径的结构型式：用缩小外径，增大内径的方法保证流道收缩，适用于大流量,高增压比的压气机。
4.2 轴流式压气机
空气在多级轴流式压气机内的流动
进气导向器－导流环内的流动：
速度略有上升;压力略有下降,产生预旋, 总温不变, 总压下降。
工作叶轮内的流动 ：
相对速度下降;压力和温度上升;且改变气流的方向。同时总温和总压均上升。
整流环内的流动：
绝对速度下降;压力和温度上升;且改变气流方向;为下一级叶轮进口提供合适的气流方向。总温不变,总压下降。
最后一级整流环内的流动：
绝对速度下降; 压力增大;温度上升; 使气流变为轴向(也就是所谓的“矫直作用”）; 同时也能消除涡流，使气流以比较均匀的轴向速度流入燃烧室。
4.2 轴流式压气机
轴流式压气机的参数
压气机的增压比
压气机出口处的总压 与压气机进口处的总压 之比
压气机的增压比等于各级增压比的乘积。
压气机的增压比较高，而一级的增压比只有1 . 15~1 . 35，故轴流式压气机都是多级的。
压气机的增压比也可以定义为:
压气机出口处的静压与压气机进口处的静压 之比
4.2 轴流式压气机
压气机功
理想压气机功： 将1kg空气通过理想的过程从 压缩到 所消耗的功称为理想压气机功,用 表示。
绝热压气机功： 将１kg的空气通过绝热的过程从 压缩 到所消耗的功称为绝热压气机功,简称为压气机功，用符号 表示。
4.2 轴流式压气机
压气机中的流动损失（叶型损失）
粘性摩擦损失；
尾流损失；
尾迹和主流的掺混损失；
分离损失；
激波损失。
4.2 轴流式压气机
二次流动损失：
①环壁附面层及其与叶型附面层之间的相互作用, 所引起的损失；
②径向间隙存在, 引起倒流损失；
③叶型端面处潜流所引起的损失等。
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