发动机原理压气机与涡轮shaiza

1、发动机原理压气机与涡轮shaiza 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shaiza 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shaiza 内容回顾内容回顾 l压气机的功能、要求与分类 l压气机与涡轮的伯努利方程 l压气机基元级工作原理 l超音速叶栅的增压原理 l涡轮的功能、工作环境与设计要求 l涡轮的基元级工作原理 l涡轮和压气机的性能参数 发动机原理压气机与涡轮shaiza v功能 对气流进行压缩,提高压

2、力 v设计要求 流通能力强、效率高、稳定、重量轻 v分类 离心式和轴流式 1、压气机的功能要求与分类、压气机的功能要求与分类 发动机原理压气机与涡轮shaiza fnKu W vv WW 2 2 1 2 2 上式表明压气机给空气的轮缘功用来完成上式表明压气机给空气的轮缘功用来完成 多变压缩多变压缩,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 2、伯努利方程式伯努利方程式-压气机压气机 发动机原理压气机与涡轮shaiza 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上式表明燃气在涡轮中膨胀时所作的膨

3、胀 功以及燃气动能变化之和是用来产生轮缘功和功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。克服流动损失的。 2 2 2 2 1 vv WW adTu 2、伯努利方程式伯努利方程式-涡轮涡轮 发动机原理压气机与涡轮shaiza 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。 3、压气机基元极工作原理、压气机基元极工作原理 发动机原理压气机与涡轮shaiza 4、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

4、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 级增压比级增压比 发动机原理压气机与涡轮shaiza 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 提供所需功率、效率高、耐高温、高强度、重量轻 5、涡轮的功能、工作环境和设计要求、涡轮的功能、工作环境和设计要求 发动机原理压气机与涡轮shaiza v涡轮动叶 进口： 气流以V1流向动叶 由于叶片转动切线速度U1 气流以相对速度W

5、1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 6、涡轮的基元级工作原理、涡轮的基元级工作原理 发动机原理压气机与涡轮shaiza 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） 6、涡轮的基元级工作原理、涡轮的基元级工作原理 发动机原理压气机与涡轮shaiza 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shaiza 压气机涡轮 转子在前、静子在后静子在前、转子在后 转、静

6、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 压气机与涡轮的工作原理对比压气机与涡轮的工作原理对比 发动机原理压气机与涡轮shaiza v压气机主要性能参数 增压比： 流量： 转速： 绝热效率： )(rpmn )/(skgqma 进口总压 出口总压 * 1 * 2 * p p k 1 1 1 2 1 T T k k k k 实际压缩功 等熵压缩功 7、压气机和涡轮的性能参数、压

7、气机和涡轮的性能参数 发动机原理压气机与涡轮shaiza v涡轮主要参数 膨胀比： 流量： 转速： 绝热效率： )(rpmn )/(skgqmg 出口总压 进口总压 * 4 * 3 * p p t ？（自己推导） 等熵膨胀功 实际膨胀功 t 7、压气机和涡轮的性能参数、压气机和涡轮的性能参数 发动机原理压气机与涡轮shaiza 涡轴发动机涡轴发动机 发动机原理压气机与涡轮shaiza v涡轮与压气机的对比 压气机 （减速增压） 涡轮 （增速减压） 压气机：效率高、稳定、重量轻 涡轮：效率高、耐高温、重量轻 压气机与涡轮的稳定工作压气机与涡轮的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza 3级单

8、转子涡轮 发动机原理压气机与涡轮shaiza 双转子涡轮双转子涡轮 发动机原理压气机与涡轮shaiza 三转子涡轮三转子涡轮 发动机原理压气机与涡轮shaiza 七、涡轮的稳定工作七、涡轮的稳定工作 涡轮的温度要求 v燃气：1500-1900K v叶片：1150K v叶盘：950K v轴承：500K 发动机原理压气机与涡轮shaiza CF6一级导叶的冷却 发动机原理压气机与涡轮shaiza CF6一级工作叶片的冷却 发动机原理压气机与涡轮shaiza RB211-5高压涡轮叶片的冷却高压涡轮叶片的冷却 发动机原理压气机与涡轮shaiza 涡喷涡喷6 6发动机涡轮的冷却气流发动机涡轮的冷却气流

9、 发动机原理压气机与涡轮shaiza 叶尖间隙主动控制叶尖间隙主动控制 Active Clearance Control 为保证涡轮叶尖间隙始终保持最佳值，在不同工况下，必须调 整叶片与外环之间的间隙。通常采用对外环进行冷却的方法来实现 间隙的保证。 冷态 起动加速 正常运行 减速过程 发动机原理压气机与涡轮shaiza 叶尖间隙主动控制叶尖间隙主动控制 为保证涡轮叶尖间隙始终保持最佳值，在不同工况下，必须调 整叶片与外环之间的间隙。通常采用对外环进行冷却的方法来实现 间隙的保证。 发动机原理压气机与涡轮shaiza v难点 气动稳定性 数百个微型“机翼”的高效匹配问题 要协同工作，基元级不仅

10、要保证自身状态 ，还要保证与其他基元级的配合 压气机周向和轴向如何保证工作稳定？压气机周向和轴向如何保证工作稳定？ 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza v压气机攻角 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） 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza v压气机攻角 攻角对压气机的性能影响较大，首先其自 身变化比较大。 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 u v arctgi a1 发动机原理压气机与涡轮shaiza v叶形损失(类比机翼) 八、压气机

11、的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza Q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） 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza v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（-） 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza v随着攻角的增加： 首先发生旋转失速或称旋转分离； 但分离区扩展至整个压气机叶栅通道，发生喘

12、振 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza v喘振 喘振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。 v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” 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza v喘振（物理机理） 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

13、向倒流，此时反压降低， 由于压气机轮缘功的作用，流量又开始增加； 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。 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza v多级轴流压气机的稳定工作问题： 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 流量连续原理： nannaaa vAvAvAvA 333222111 n vv 1 zaazz vvAA 111 发动机原理压气机与涡轮shaiza v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

14、。 v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？ 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 设计 n 发动机原理压气机与涡轮shaiza 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza v压气机防喘措施 Q进气机匣处理 Q中间级放气 Q可转动静子导流叶片 Q多轴发动机：双轴、三轴 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理

15、压气机与涡轮shaiza 风扇机匣单元体(Fan Casing Module) 风扇机匣用来形成发动机空气流通的内外涵道，分别引导空气 以适当的方向流入核心发动机的高压压气机和流出风扇的出口，并 且构成发动机的主要结构组件。 发动机原理压气机与涡轮shaiza v压气机防喘措施 （1）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 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza v压气机防喘措施 （2）压气机中间级放气 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza 中间级放气 （1）工作原理 增大前面各级的空气

16、流量，减小相应的气流攻角，防止叶片低 压面产生分离。 （2）各种放气装置及其控制 放气活门、环形放气带，液压机械、气压机械、电子机械。 发动机原理压气机与涡轮shaiza Q压气机防喘措施 （3）可调进口导流叶片和静子叶片 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza 可调导流叶片或静叶 改变进口导流叶片以及前面若干级静叶的安装角，从而改变气 流进入工作叶片时的流动方向，使攻角处于最佳状态，避免气流的 分离。 发动机原理压气机与涡轮shaiza v压气机防喘措施 （4）多转子发动机 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza 双

17、转子结构(Dual-spool) （1）工作原理 当发动机转速下降时，低压转子的转度下降比高压转子转速下 降得更多，使其适应流量减少的特点，保持气流进入工作叶片时仍 然有比较合适的攻角，避免产生分离。 （2）结构特点 发动机原理压气机与涡轮shaiza v小结： 转速不变，流量减小攻角增加喘振 转速不变，流量增加攻角下降堵塞 对于多级轴流压气机： 转速下降前喘后堵 转速增加前堵后喘 了解以下三种防喘措施的基本原理： 级间放气 可调导叶 多转子 八、压气机的稳定工作八、压气机的稳定工作 发动机原理压气机与涡轮shaiza v特性的意义 压气机在设计状态下具有符合设计 要求的增压比和较高的效率。但

18、一 台设计完成的压气机不可能总在某 一特定条件（设计状态）下工作。 当工作条件偏离设计状态时，压气 机的增压比、效率会发生变化。 在非设计条件下工作时压气机性能 参数（增压比、效率）的变化为特 性。 压气机的工作状态可在特性图上表 示出来 九、压气机特性九、压气机特性 发动机原理压气机与涡轮shaiza v引起压气机性能参数变化的原因 外界条件： 进气总压p*1 进气总温T*1 工作转速 空气流量 v设外界条件不变，性能参数之间关系可如下表 示： ),( ),( 2 * 1 * nqf nqf mak mak 将上式参数之间的关系表示成曲线图，即为压气机特性图 九、压气机特性九、压气机特性 发

19、动机原理压气机与涡轮shaiza 2 进口集流器； 3 流量管壁面静压孔； 5 进口导叶 ； 6 压气机转子 ；8 压气机静子； 9 压气机出口总压梳； 10 出口总压耙 ； 11 异步交流电动机； 12 排气管道； 13 流量调节堵锥。 实验内容：通过调节堵锥控制压气机流量，在不同 的转速下，分析增压比与效率的变化。 九、压气机特性九、压气机特性 发动机原理压气机与涡轮shaiza 流量增压比效率 55.262292.153970.72 58.996782.133510.75 62.63062.096680.773 65.428942.039390.78289 68.227291.96573

20、0.77034 70.461941.867520.74324 72.253691.781590.71336 74.427941.656780.67181 75.625791.503330.63793 76.431071.396930.59839 Q在给定的转速下，可以得到流量、增压 比、效率之间的对应关系 九、压气机特性九、压气机特性 发动机原理压气机与涡轮shaiza Q增压比与流量的关系： 以空气流量为横坐标 增压比为纵坐标 50607080 1.0 1.5 2.0 2.5 增压比 空气流量（kg/s） 九、压气机特性九、压气机特性 发动机原理压气机与涡轮shaiza Q效率与流量的关系： 以空气流量为横坐标 效率为纵坐标 50607080 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 效率 空气流量（kg/s） 九、压气机特性九、压气机特性 发动机原理压气机与涡轮shaiza 506