发动机原理第二章4节讲解

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五、压气机的不稳定工作状态
6、压气机防喘措施 • 进气机匣处理（不需要掌握原理）
– 重点是考虑多级压气机的前面级和后面级

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五、压气机的不稳定工作状态
6、压气机防喘措施 • 中间级放气
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五、压气机的不稳定工作状态
6、压气机防喘措施 • 可转动静子导流叶片
– 错，功与进口总温、效率有关
• 只要压气机进、出口总温保持不变，则压 气机对单位工质所做的功保持不变。
–对
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作业
1、在一台多级压气机中，第一级和第二级对 空气的加功量都是30kJ/kg，级效率都是0.84 ，那么第一级和第二级增压比是否相同，为 什么？ 2、在标准大气条件下，测得某压气机的平均 出口总温550K，总压738900Pa，求该压气机 效率。
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五、压气机的不稳定工作状态
6、压气机防喘措施 • 多轴压气机：双轴、三轴
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六、压气机特性
1、特性的意义
• 压气机在设计状态下工作时具有符合设计 要求的增压比和效率
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一、生活中的叶轮机
• 电脑芯片的风扇：
– 由微型电机驱动，向散热器提供冷却空气
• 发动机的压气机：
– 由涡轮驱动，向燃烧室提供高压空气
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一、生活中的叶轮机
• 压气机
1.5个大气压 3个大气压 30个大气压
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一、生活中的叶轮机
大涵道比涡轮风扇发动机
– 1 动叶进口 – 2 动叶出口（静叶进口） – 3 静叶出口
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三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 静叶栅
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三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 气流在静叶栅中的流动 伯努利方程
3
2
dp

V32
V22 2
Wfs
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三、轴流式压气机增压原理
思考：是否可以只采用静子叶片减速增压？ 可否取消动叶？
•否 • 如果不对气体作功，只靠减速增压，压力
增加程度充其量等于来流总压； • 动叶对气体作功加入能量，增加绝对动能
，使气流在其后的静叶中有足够的能量减 速增压； • 排列顺序：动叶在前，静叶在后。
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一、生活中的叶轮机
小涵道比涡轮风扇发动机
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二、功能、要求及分类
• 功能 加功增压，即对气流进行压缩以提高压力
• 设计要求 流通能力强、效率高、稳定、重量轻
• 分类 离心式和轴流式
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三、轴流式压气机增压原理
1、组成 • 多级组成，每一级由转子与静子组成。
4、压气机级 • 叶片扭转
因沿叶高的切线速度大小不同 相对速度大小和方向均不同 速度三角形不同；
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三、轴流式压气机增压原理
4、压气机级 • 叶片扭转
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三、轴流式压气机增压原理
5、全台压气机 • 沿压气机轴向，随气体不断被增压，气体
密度加大，气流通道逐级缩小，叶片变短
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三、轴流式压气机增压原理
3、超音叶栅增压原理
• 进口超音速气流W1 经激波后降为亚音 流W2’ ，静压提高
• 然后气流转弯速度 降到W2 ，静压进 一步提高
• Mw1=1.3-1.5, 总压恢复系数=0.97-0.94
级增压比=1.8-2.2
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三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 动叶栅
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三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理
• 气体在动叶栅中的流动：
• 速度三角形（进口）：
– 气流流向动叶的绝对速度V1；
– 叶片转动切线速度为U1； – 气流进入动叶的相对速度为W1。
• 速度三角形（出口）：
– 气流流出动叶的相对速度为W2；

0
dp0 V3 V2
对于亚音气流，减速 必须经过扩张形通道
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三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 气流在静叶栅中的流动
– 利用叶型偏向轴线弯曲，使叶片之间形成扩张 形气流通道；
– 气体流经扩张通道减速增压（亚音速）；
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三、轴流式压气机增压原理
1
)
( 1)


* k

1
Wki
cp (T2i
T1)

c pT1
(
* k

1)
• 实际压缩功
Wk
cp (T2
T1 )

c
pT1
(
T2 T1
1)
1
• 压气机效率
0.82~0.87
k*

等熵压缩功 实际压缩功
在给定的增压比和进口总温的条件下，
气体参数的变化
• 动叶
– 静温增加 – 静压增加 – 总温增加（动叶做功） – 总压增加 – 绝对速度增加（动叶做功） – 相对速度下降（减速扩压）
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三、轴流式压气机增压原理
气体参数的变化 • 静叶
– 静温增加 – 静压增加 – 总温不变 – 总压小幅下降（有损失） – 速度下降（减速扩压）
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五、压气机的不稳定工作状态
1、压气机攻角
• 攻角： i
1k
1
1k 几何进口角; 1进口气流角
• 设计状态攻角的选取：
– 亚音叶栅：略大于0
– 超音叶栅：略小于0
• 可以近似认为，设计
状态攻角为零（i=0）
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五、压气机的不稳定工作状态
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五、压气机的不稳定工作状态
5、多级轴流压气机的稳定工作问题
• 当多级轴流压气机工作于设计状态时，各 级转子的攻角近似为0，压气机处于高效工 作状态。
• 思考：
– 若多级轴流压气机转速低于设计值时，压气机 各级攻角会发生什么变化？
– 若转速高于设计值时，各级攻角会发生什么变 化？
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五、压气机的不稳定工作状态
5、多级轴流压气机的稳定工作问题
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五、压气机的不稳定工作状态
5、多级轴流压气机的稳定工作问题
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五、压气机的不稳定工作状态
6、压气机防喘措施 • 进气机匣处理 • 中间级放气 • 可转动静子导流叶片 • 多轴压气机：双轴、三轴
– 叶片转动切线速度为U2；
– 气流流出动叶的绝对速度为V2。
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三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 气体在动叶栅中的流动：
– 近似认为动叶前后切向速度不变U1 U2 – 气流在动叶中相对速度降低，W2 W1（减速增压） – 气流流经动叶的绝对速度增加，即V2 V1（转子做功）
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四、热力过程及主要参数
1、热力过程
• 理想情况：绝热等熵压缩
• 实际情况：不可逆压缩（近似多变压缩）
h
2
P2*
2i
理想压缩功
等熵
P1* 实际压缩功
1
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S 33
四、热力过程及主要参数
2、效率计算
• 等熵过程的关系式：
• 等熵压缩功：
T2i T1

(
p2i p1


* k

T2
T1
1 1
压20气19年机6月出15日口温度越高，效率越低。
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四、热力过程及主要参数
3、压气机主要性能参数
• 增压比：

* k

p2* p1*
出口总压 进口总压
• 流量：
qma (kg / s)
• 转速：
n(rpm)
1
• 绝热效率：
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k*

等熵压缩功 实际压缩功
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五、压气机的不稳定工作状态
4、喘振 • 危害：
– 低频、高振幅脉动； – 非常强烈的机械振动； – 强烈的放“炮声”； – 发动机熄火； – 发动机“吐火”
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五、压气机的不稳定工作状态
4、喘振
• 物理机制：
– 流量减少，攻角增大，叶背出现分离 – 当分离区扩展至整个压气机叶栅通道，这时压气机
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五、压气机的不稳定工作状态
4、喘振 • 随着攻角的增加：
– 部分叶片一定部位首先发生旋转失速或称旋转 分离；
– 分离区扩展至整个压气机叶栅通道，发生喘振
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五、压气机的不稳定工作状态
4、喘振 • 定义
是压气机的一类气动失稳 现象，其流量和压升具有 周期性的高振幅振荡， 时而体现为非失速的正常 流动，时而表现为低流量 低压升的失速流动。
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三、轴流式压气机增压原理
级增压原理：
• 动叶
– 加功增速 – 靠扩张叶栅通道减相对速度，增加压力；
• 静叶
– 使在动叶中获得能量的气流，通过扩张叶栅通 道减速增压
– 同时静子还起导向作用将气流引导到一定方向 ，为顺利进入下一级做准备
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三、轴流式压气机增压原理
转子丧失了将气流压向后方，克服后面高反压的能 力，于是流量急剧下降；
– 出口的高压气流会向进口方向倒流，此时反压降低 ，由于压气机轮缘功的作用，又开始正向流动；
– 喘振总是经历流动、分离、倒流、再流动、再分离 、再倒流的循环过程。
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五、压气机的不稳定工作状态
5、多级轴流压气机的稳定工作问题
2、叶型损失(类比机翼)
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五、压气机的不稳定工作状态
3、压气机的设计状态与非设计状态
• 正攻角工况（叶背出现分离）
• 设计点工况（设计状态）
• 负攻角工况（叶盆出现分离）
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五、压气机的不稳定工作状态
思考：下面哪些情况可能导致攻角增大？哪 些情况可能导致攻角减小？ • 流量不变，转速增大（+） • 流量不变，转速减小（-） • 转速不变，流量减小（+） • 转速不变，流量增大（-）
2、亚音基元级增压原理
• 气体在动叶栅中的流动：
• 伯努利方程（绝对坐标系）
•
Wu

2 1
dp

V22
V12 2
两式相减，得：
Wfr Wu

V22
V12 2
W12
W22 2
压气机对气体作轮缘功＝绝对动能增量+相对动能增量
动叶增压原理：加功、增速、增压
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第二章 发动机部件工作原理
• 第一节 气动热力基础 • 第二节 进气道 • 第三节 尾喷管 • 第四节 压气机 • 第五节 涡轮 • 第六节 燃烧室
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第四节 压气机
一、生活中的叶轮机
风车、水车、电风扇、鼓风机、汽轮机、水轮机、 水泵、螺旋桨（飞机、轮船）……
第二章 发动机部件工作原理
内容回顾
• 进气道
– 功能和要求 – 进气道的性能参数：总压恢复系数与冲压比 – 亚音速进气道和超音速进气道的基本工作原理 – 超音速进气道的三种基本类型及优缺点 – 超音速进气道的三种工作状态 – 超音速进气道的调节
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内容回顾
• 尾喷管
– 功能和要求 – 尾喷管的分类(纯收敛型、收敛-扩张型) – 纯收敛型尾喷管的三种工作状态和推力公式 – 收敛-扩张型尾喷管四种主要类型
三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 流动本质：
– 气体在动叶和静叶中的流动过程，本质上都是 亚音速气体的减速增压过程。
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三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 压气机叶栅
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三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 气体在轴流压气机中的参数变化


* k

T2
T1
1 1
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四、热力过程及主要参数
• 4、压气机实际压缩功
k1
Wk

CpT1*[(
* k
)
k
1] /k*
• 压缩功与进口气流总温、增压比成正比， 与效率成反比
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四、热力过程及主要参数
练习题（判断） • 只要压气机增压比保持不变，则压气机对
单位工质所做的功保持不变。
– 转子（工作轮）：叶片、盘、轴 – 静子（导向器）：叶片、机匣
• 转子在前、静子在后，交错排列
静子
转子 2019年6月15日
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三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 分解
– 级基元级平面叶栅
• 平面叶栅
– 动叶栅 – 静叶栅
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三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 截面编号
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三、轴流式压气机增压原理
2、亚音基元级增压原理 • 气体在动叶栅中的流动： • 伯努利方程（相对坐标系）
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1
dp

W22
W12 2
Wfr

0
• dp0 W2 W1
叶型弯曲形成扩张通道，相对 速度减小，压力提高
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三、轴流式压气机增压原理