发动机原理-压气机与涡轮

1、发动机原理-压气机与涡轮 第二章第二章 发动机主要部件发动机主要部件 工作原理工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 本章主要内容本章主要内容 第一节第一节 进气道进气道 第二节第二节 尾喷管尾喷管 第三、四节第三、四节 压气机与涡轮压气机与涡轮 第五节第五节 燃烧室燃烧室 发动机原理-压气机与涡轮 Q生活中的叶轮机 Q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） 一、压气机工作原理一、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v电脑芯片的风扇： 由微型电机驱动，向散热器提供冷却空气 v发动机的压气机： 由涡轮驱动，向燃烧室提供高压空气 一、压气机工作原理一、压气机工作

2、原理 发动机原理-压气机与涡轮 v风力发电机： 空气的动能转化为电能； v发动机的涡轮： 燃气的热能转化为机械能； 一、压气机工作原理一、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 压气机 30个大气压 1.5个大气压 3个大气压 一、压气机工作原理一、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v大涵道比涡轮风扇发动机大涵道比涡轮风扇发动机 一、压气机工作原理一、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v小涵道比涡轮风扇发动机小涵道比涡轮风扇发动机 一、压气机工作原理一、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v功能 对气流进行压缩,提高压力 v设计要求 流通能力强、效率高、稳定、重量轻 v

3、分类 离心式和轴流式 一、压气机工作原理一、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v离心式压气机 特点： 轴向进气，径向排气，离心增压 组成： 进气系统 叶轮 扩压器 集气管 一、压气机工作原理一、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 气体靠离心增压气体靠离心增压 一、压气机工作原理一、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v离心式压气机 优点：优点： 结构简单、零件少结构简单、零件少 级增压能力强级增压能力强( (增压比增压比3-12)3-12) 性能稳定性能稳定 轴向尺寸短轴向尺寸短 缺点：缺点： 效率低，迎风面大效率低，迎风面大 适合：适合： 小推力级动力装置小推力级动力装置

4、 一、压气机工作原理一、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v轴流式压气机 特点：特点： 轴向进气，轴向排气轴向进气，轴向排气 优点：优点： 流通能力强、径向尺寸小、效率高流通能力强、径向尺寸小、效率高 缺点：缺点： 结构复杂、级增压能力小、轴向尺寸长、零件多结构复杂、级增压能力小、轴向尺寸长、零件多 适合：适合： 大尺寸、高推力级、高速飞行的飞机发动机大尺寸、高推力级、高速飞行的飞机发动机 一、压气机工作原理一、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v轴流式压气机 多级组成，每一级由转子与静子组成。多级组成，每一级由转子与静子组成。 转子（工作轮转子（工作轮：叶片、盘、轴：叶片、盘

5、、轴 静子（导向器静子（导向器：叶片、机匣：叶片、机匣 转子在前、静子在后，交错排列转子在前、静子在后，交错排列 转子 静子 一、压气机工作原理一、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v纯轴流式压气机组成的压缩系统 一、压气机工作原理一、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 Q轴流+离心组合 一、压气机工作原理一、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v能量方程式能量方程式 二、基本方程式二、基本方程式 * 1 * 2 2 1 2 2 12 2 hh vv hhWq u * 1 * 2 2 1 2 2 12 2 hh vv hhW u 发动机原理-压气机与涡轮 v能量方程式能量方

6、程式-动坐标系动坐标系 二、基本方程式二、基本方程式 22 2 1 2 2 12 2 1 2 2 ww hh uu 22 2 2 2 2 1 1 w h w h 发动机原理-压气机与涡轮 v伯努利方程式伯努利方程式 二、基本方程式二、基本方程式 fu W vvdp W 2 2 1 2 2 2 1 nK n n W p p RT n ndp 1 1 1 1 2 1 2 1 adK k k W p p RT k kdp 1 1 1 1 2 1 2 1 发动机原理-压气机与涡轮 v伯努利方程式伯努利方程式-压气机压气机 二、基本方程式二、基本方程式 fnKu W vv WW 2 2 1 2 2 上式

7、表明压气机给空气的轮缘功用来完成多式表明压气机给空气的轮缘功用来完成多 变压缩变压缩,增加空气的动能以克服流动损失。增加空气的动能以克服流动损失。 2 2 1 2 2 vv WW adKu 发动机原理-压气机与涡轮 v伯努利方程式伯努利方程式-涡轮涡轮 二、基本方程式二、基本方程式 funT WW vv W 2 2 2 2 1 上式表明燃气在涡轮中膨胀时所作的膨胀功式表明燃气在涡轮中膨胀时所作的膨胀功 以及燃气动能变化之和是用来产生轮缘功和克以及燃气动能变化之和是用来产生轮缘功和克 服流动损失的。服流动损失的。 2 2 2 2 1 vv WW adTu 发动机原理-压气机与涡轮 v伯努利方程式

8、伯努利方程式-动坐标系动坐标系 二、基本方程式二、基本方程式 上上式表明在进出口气流压力与相对速度的变式表明在进出口气流压力与相对速度的变 化关系，对于压气机，压力升高，则相对速度化关系，对于压气机，压力升高，则相对速度 减小，对于涡轮，压力下降，则相对速度增加减小，对于涡轮，压力下降，则相对速度增加 。 f W wwdpuu 22 2 1 2 2 2 1 2 1 2 2 0 2 2 1 2 2 2 1 f W wwdp 发动机原理-压气机与涡轮 v压气机基元级 级基元级平面叶栅 v平面叶栅 动叶叶栅 静叶叶栅 v截面编号 1 动叶进口 2 动叶出口（静叶进口） 3 静叶出口 三、基元极工作原

9、理三、基元极工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v静叶叶栅 三、基元极工作原理三、基元极工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 气体在静子中作绝气体在静子中作绝 能流动伯努利方程能流动伯努利方程 dp0 V3 V2 对于亚音气流，对于亚音气流， 减速必须经过减速必须经过 扩张形通道扩张形通道 3 2 2 2 2 3 0 2 fs W VVdp 三、基元极工作原理三、基元极工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v气体在静叶叶栅中的流动： 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）； 三、基元极工作原理三、基元极工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v动叶叶

10、栅 三、基元极工作原理三、基元极工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v气体在动叶叶栅中的流动： 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。 出口： w 气流流出动叶的相对速度为W2； w 叶片转动切线速度为U2； w 气流流出动叶的绝对速度为V2。 三、基元极工作原理三、基元极工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v对于轴流压气机的动叶： 近似认为动叶前后切向速度不变U1U2 气流在动叶叶栅中相对速度降低，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） 三、基元极工作原理三、基元极工作原理 发动机原理-

11、压气机与涡轮 动叶增压原理动叶增压原理 伯努利方程伯努利方程(机械能守恒机械能守恒) H相对坐标系相对坐标系 dp 0 W2 W1 叶型弯曲形成扩张叶型弯曲形成扩张 通道，相对速度减通道，相对速度减 小，压力提高小，压力提高 2 1 2 1 2 2 0 2 fr W wwdp 发动机原理-压气机与涡轮 v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。 三、基元极工作原理三、基元极工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v压气机叶栅压气机叶栅 四、压气机工作原理四、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 气体在轴流压气机中的参数变化气体在轴流压气机中的参数变化 四

12、、压气机工作原理四、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 第一项表示气流经过动叶栅获取的动能，第二第一项表示气流经过动叶栅获取的动能，第二 项表示气流流过动叶栅有多少相对动能转化为项表示气流流过动叶栅有多少相对动能转化为 静压的提高，也包含转化过程的流动损失静压的提高，也包含转化过程的流动损失 四、压气机工作原理四、压气机工作原理 22 2 2 2 1 2 1 2 2 wwvv Wu fRu W vvdp W 2 2 1 2 2 2 1 0 2 2 1 2 2 2 1 fR W wwdp 动叶栅 发动机原理-压气机与涡轮 亚音速压气机中亚音速气流只有在逐渐扩张的亚音速压气机中亚音速气流只有

13、在逐渐扩张的 通道中才能减速增压。亚音速压气机级的效率通道中才能减速增压。亚音速压气机级的效率 比较高、性能较稳定，但增压比较低。比较高、性能较稳定，但增压比较低。 四、压气机工作原理四、压气机工作原理 3 1 3 2 2 1 ffRfRu W dp WW dpdp W 0 2 2 2 2 3 3 2 fS W vvdp 静叶栅 13 vv 发动机原理-压气机与涡轮 亚音轴流压气机级增压比亚音轴流压气机级增压比=1.11.4 多级多级 在压气机设计中人们非常重视增压比，在同样在压气机设计中人们非常重视增压比，在同样 的总增压比下，提高级的增压比，就意味着减的总增压比下，提高级的增压比，就意味着

14、减 少级数，因而就可以减少重量。少级数，因而就可以减少重量。 四、压气机工作原理四、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 要提高每一级的增压能力，要提高要提高每一级的增压能力，要提高Wu 轮缘功轮缘功Wu 动量矩原理推导出（见教材）动量矩原理推导出（见教材） U 切线速度切线速度 WU 扭速扭速 U=f(n,D):高速旋转（高速旋转（n=10,00050,000 rpm) 受强度、直径、相对速度等限制受强度、直径、相对速度等限制 扭速扭速：增加叶栅的弯曲程度，增大扩张程度：增加叶栅的弯曲程度，增大扩张程度 扩张程度过大，气流易分离，损失增大扩张程度过大，气流易分离，损失增大 uuuu wu

15、wwuW)( 21 四、压气机工作原理四、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 uuu www 21 增加叶栅的弯曲程度，增大扩张程度，可以增加扭速增加叶栅的弯曲程度，增大扩张程度，可以增加扭速 发动机原理-压气机与涡轮 在较宽的范围内保证压气机的工作稳定，在较宽的范围内保证压气机的工作稳定， 并具有较高的效率，以此为前提，提高级并具有较高的效率，以此为前提，提高级 的增压比，可以说是压气机设计的中心问的增压比，可以说是压气机设计的中心问 题。题。 四、压气机工作原理四、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 超音叶栅增压原理超音叶栅增压原理 进口超音速气进口超音速气 流流W1经激波后经

16、激波后 降为亚音流降为亚音流W2 ，静压提高，静压提高 然后气流转弯然后气流转弯 速度降到速度降到W2 ， 静压进一步提静压进一步提 高高 Mw1=1.3-1.5, 总压损失总压损失=0.97-0.94 级增压比级增压比=1.8-2.2 发动机原理-压气机与涡轮 v压气机叶片的扭转 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； 四、压气机工作原理四、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v叶型的变化 四、压气机工作原理四、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 发动机原理-压气机与涡轮 v多级压气机 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

17、小，叶片变短。 思考：是否可以只采用静子叶片减速增压？可 否取消动叶？ 四、压气机工作原理四、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v为何要采用动叶加功增压： 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。 级增压原理： 动叶加功增速，同时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。 四、压气机工作原理四、压气机工作原理 发动机原理-压

18、气机与涡轮 v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） 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） 四、压气机工作原理四、压气机工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 涡轮 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v功能 将燃气的内能转换为机械能并对外输出功率， 带动压气机(风扇)、螺旋桨、旋翼(尾桨)等。 v工作环境 高温: 热负荷(1600-1950K) 高速转动: 离心负荷 高气动负荷: 气动力、气动力矩 轴负荷： 传递巨大的扭矩 v设计要求 提供所需

19、功率、效率高、耐高温、高强度、重量轻 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v高压涡轮 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v低压涡轮 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v组成： 静子（导向器） 静子叶片 内、外环 转子 工作叶片 盘 轴 排列方式 静子在前 转子在后 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 Q涡轮基元级平面叶栅： 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v工作原理 导向器 高温高压气体在导向器中 膨胀加速 焓 动能 工作叶轮 高速气流冲击工作叶轮， 使叶轮高速转动，

20、发出功 率。 动能机械能 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v气流在涡轮基元级中的流动 截面 0 静叶进口 1 静叶出口（动叶进口） 2 动叶出口 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v静子叶栅（导向器） 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 气流在静子叶栅中的流动气流在静子叶栅中的流动 气体作绝能流动气体作绝能流动 伯努利方程伯努利方程 V1 V0 dp 0 对于亚音气流，要加速必须经过收敛形叶栅通道对于亚音气流，要加速必须经过收敛形叶栅通道 。 叶栅向背离轴向弯曲形成叶栅向背离轴向弯曲形成收敛通道。收敛通道。 在静子叶

21、片中的工作原理：膨胀加速并转向在静子叶片中的工作原理：膨胀加速并转向 1 0 2 0 2 1 0 2 fs W VVdp 发动机原理-压气机与涡轮 v在静子叶栅中： 叶型偏离轴线弯曲形成收敛通道 在叶栅通道出口处为最小截面，称 为喉道截面； 在喉道截面处，气流通常达到当地 音速； 在临界截面后气流进一步加速，以 超音速进入工作轮； 静子叶片起导向作用又称为导向器 。 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v涡轮与压气机静子叶片的对比 压气机 （减速增压） 涡轮 （增速减压） 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v涡轮动叶 进口： 气流以V1流向动叶

22、 由于叶片转动切线速度U1 气流以相对速度W1进入动叶 出口： 气流以相对速度W2 流出动叶 由于叶片转动切线速度U2 气流以绝对速度V2流出动叶 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v涡轮速度三角形： 将进、出口速度三角形叠画在一起,W和V均向 背离转动方向发生偏转 相对速度增加：W2 W1（气体增速降压） 绝对速度下降：V2 V1（动能 机械能） 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 伯努利方程伯努利方程 绝对坐标系绝对坐标系 气体膨胀功、动能增量气体膨胀功、动能增量 输出轮缘功输出轮缘功并耗损摩擦功并耗损摩擦功 相对坐标系相对坐标系 dp 0

23、 W2 W1 叶型弯曲形成收敛通道叶型弯曲形成收敛通道 相对速度增加，压力降低相对速度增加，压力降低 两式相减，得：两式相减，得： 涡轮对外输出轮缘功涡轮对外输出轮缘功 绝对动能绝对动能 机械能机械能 相对动能相对动能 膨胀加速膨胀加速 产生反作用力产生反作用力 2 1 2 1 2 2 2 fru W VVdp W 2 1 2 1 2 2 0 2 fr W wwdp 22 2 2 2 1 2 1 2 2 wwvv Wu 发动机原理-压气机与涡轮 提高每一级涡轮的膨胀作功能力，要提高轮缘功提高每一级涡轮的膨胀作功能力，要提高轮缘功Wu 轮缘功轮缘功Wu 动量矩原理推导出动量矩原理推导出 U 切线

24、速度切线速度 WU 扭速扭速 增加输出功率：增加输出功率：u、扭速。、扭速。 由于气流在涡轮中作膨胀加速流动由于气流在涡轮中作膨胀加速流动,气流不易分离气流不易分离 因此允许气流的转角较大因此允许气流的转角较大产生大的产生大的扭速扭速。 22 2 2 2 1 2 1 2 2 wwvv Wu )( 21uuuu wwuwuW 发动机原理-压气机与涡轮 扭速 wu 涡轮涡轮 一级涡轮输出功率可以带动多级压气机 压气机 发动机原理-压气机与涡轮 v涡轮叶片的扭转： 涡轮级沿叶高由基元级叠 加而成； 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； 沿叶高叶片是扭转的。 五

25、、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 v沿发动机轴向为扩张形气流通道沿发动机轴向为扩张形气流通道 五、涡轮工作原理五、涡轮工作原理 发动机原理-压气机与涡轮 压气机涡轮 转子在前、静子在后静子在前、转子在后 转、静叶栅均为扩张型转、静叶栅均为收缩型 转子：加功+增压转子：获得机械功+降压 静止：减速增压静子：加速减压 基元级逐级收缩基元级逐级扩张 内部流动一般为亚音导叶出口一般为临界 逆压力梯度（静压增加）顺压力梯度（静压下降） W2 W1 V2 V1W2 W1 V2 V1 小结小结 发动机原理-压气机与涡轮 v压气机热力过程 理想情况：绝热等熵压缩 实际情况：不可逆压缩（

26、近似多变压缩） h S P2* P1* 等熵等熵 理想压缩功理想压缩功 实际压缩功实际压缩功 1 2i 2 六、压气机和涡轮的性能参数六、压气机和涡轮的性能参数 发动机原理-压气机与涡轮 v压气机效率的计算 等熵过程的关系式： 等熵压缩功： 实际压缩功 压气机效率 1 1 1 2 1 T T k k k k 实际压缩功 等熵压缩功 ) 1()( 1 112 k k kpipki TcTTcL ) 1()( 1 2 112 T T TcTTcL ppk ) 1 ( 1 1 2 1 2 )( k k k k k ii p p T T 在给定的增压比和进口总温的条件下，在给定的增压比和进口总温的条件下， 压气机出口温度越高，效率越低。压气机出口温度越高，效率越低。 六、压气机和涡轮的性能参数六、压气机和涡轮的性能