叶片机原理课件C3-5

1、 叶轮机原理与设计 飞行器动力工程专业教研室飞行器动力工程专业教研室ZZIAZZIA 授课教师：马震宇授课教师：马震宇n航空叶片机原理航空叶片机原理n 楚武利楚武利,刘前智刘前智,胡春波胡春波 主编n 西北工业大学出版社，西北工业大学出版社，n 2009年。 作者：楚武利，1987年西安交大 硕士毕业后到西工大任教，教授， 博导，获部级科技进步奖两项， 获国家发明专利多项。在国内外 重要学术刊物上发表论文50多篇 ，被SCI、EI收录30多篇。n 教教 材材：ZZIAZZIA 参考书参考书 航空叶片机原理航空叶片机原理n胡骏，吴铁鹰，曹人靖 主编n国防工业出版社，国防工业出版社，2006年。n

2、作者作者：胡骏，1984年南航硕士毕业留n校任教，教授，博导，主要从事叶轮n机非定常流基础理论和应用基础理论n方面的研究，获省部级科研二等奖二n项，出版专著两部。名言名言：“个人实在n是太渺小了，能做的事也极其有限。n要想多取得一点成绩，只有踏踏实实n地干。” ZZIAZZIA 五、压气机基元级的气动设计五、压气机基元级的气动设计n 要按照给定的设计条件和要求，确定得出要按照给定的设计条件和要求，确定得出基元级速度三角形，进而配置相应的合适叶栅基元级速度三角形，进而配置相应的合适叶栅。n（不能随意配置）。n 为此，必须找出叶栅中气流的运动规律（速度三角形与叶栅几何参数之间的联系。第三章第三章

3、轴流压气机工作原理轴流压气机工作原理ZZIAZZIAn n n 早期主要依靠叶栅模型大量系统吹风实验进行研究。虽然平面叶栅模型模拟的是平面二元固定叶栅的简化流动，但设计出的亚声速压气机叶栅通常都是很成功的。n 在固定叶栅风洞实验台上得到的实验数据，既可用于静叶栅设计，也可用于动叶栅设计！因为我们研究的是相对相对动叶栅或静叶栅的相对流动流场流动流场！n 以下按此顺序分析：确定平面叶栅几何参数平面叶栅气动参数平面叶栅实验研究基元级平面叶栅气动设计n1 平面（平面（2D2D）叶栅几何参数叶栅几何参数n 平面叶栅 由很多形状相同、相隔一定距离排列起来的叶型构成。n （1） 叶型的基本几何参数叶型的基本

4、几何参数 中弧线（中线，AB,曲线或直线）,弦长（b b，直线，作特征值作特征值),最大相对厚度（ ）和相对位置（ ），最大桡度 和位置（a ) (除以b时为其相对值），前缘角（ ）和后缘角（ ），叶型弯角（ ），型面（用x-y坐标值来表示型面曲线，凸面凸面- -叶背，叶背，吸力面；凹面凹面- -叶盆，叶盆，压力面）bcc/maxbee/maxf1221 分析机翼气动特性时谈分析机翼气动特性时谈翼型翼型。对叶片机言，对叶片机言， 以其转轴为以其转轴为纵轴的圆柱面或圆锥面与叶片相切割的剖面称纵轴的圆柱面或圆锥面与叶片相切割的剖面称叶型叶型。 低速翼型低速翼型一般为一般为圆头尖尾圆头尖尾形状。圆头

5、作用：易适应不同形状。圆头作用：易适应不同来流方向；尖尾的作用：减少尾部气流分离以减少损失。来流方向；尖尾的作用：减少尾部气流分离以减少损失。 （2）叶栅的基本几何参数）叶栅的基本几何参数叶型安装角 - 叶型弦线与额线（额线（A-A和B-B）的夹角； 叶距（栅距）t t 相邻两叶型沿额线方向的距离。 y 工程设计应用时下面参数更方便：叶栅稠度（实度） - 弦长与栅距的比；几何进口角 ，几何出口角 （构造角）。k1k2n 压气机叶型设计中，通常选用气动力性能较好的对称叶型对称叶型作原始（基本）叶型；原始（基本）叶型；然后然后，将原始叶型的中线弯成所需的曲线形状；选择合适的相对最大厚度，使对称叶型

6、厚度放大或缩小；最后最后，将放大或缩小的对称叶型厚度加在弯曲中线各点的法线方向上，并连接这些厚度点。这样这样便设计得到了所需的叶型表面型线。n2 平面叶栅中的气体流动平面叶栅中的气体流动n 为运用上述几何参数合理设计出叶栅通道，保证实现预期速度三角形，需了解叶栅气体流动机理叶栅气体流动机理。n (1) 先介绍翼型绕流先介绍翼型绕流特点特点 当亚音速气体流向翼型时，翼型表面上的气流马赫数可以大于远前方气流的马赫数。随来流M数增大，翼型表面各点M数也均相应增大，且最低压强点处气流M数先达到1。 当亚音速来流M数增大到某个值后，翼型或叶型流场中开始出现局部超音速区，气动特性会发生质的变化。流场出现局

7、部超音速区局部超音速区的流动，称跨音速流动。跨音速流动。n 翼型上最低压强点处流速开始达到当地音速时相应的远前方来流马赫数，定义为该攻角下该翼型的临界马赫数临界马赫数。 来流马赫数继续再增大到稍微大于1时，气流若遇到钝头翼型则即在翼型前方形成脱体激波。其中，中间近似正激波后气流变为亚音速。在尾部，通常也会形成两道尾缘斜激波。n（2）叶栅中的气体流动特点）叶栅中的气体流动特点n 以图3-17所示的平面叶栅为例。假设此叶栅前方亚音速亚音速来流马赫数为0.8，出口气流马赫数0.6，来流与叶型中n弧线在前缘处的切线相n平行（攻角近似于0），n即近似于设计工况下的设计工况下的n气流来流气流来流。n 亚音

8、速叶型前缘为小钝圆头。在前缘气流分成两股，出现流动分叉点A，称为前驻点驻点。AA与几何前缘点A不一定重合，A 随来流情况会变化移动而不在固定位置。n 通常前缘小钝圆头半径很小（曲率很大），绕其上流动为很大的加速流动。叶背表面气流会加速到更大速度，某D点处可先达到声速。D点后超声速气流绕叶背会产生一系列膨胀波而继续加速流动。n （虚线表示膨胀波，点画线表示声速线）。 n 流动到 E点将产生近似正激波，波后气流为亚声速，随后其在扩张通道中做减速流动到尾缘。n 而叶盆面在所给来流马赫数下，通常不产生局部超声速流，其流速普遍低于叶背。n 3 平面叶栅中的流动损失平面叶栅中的流动损失 叶栅中流动损失与叶

9、型表面马赫数分布有直接联系，高性能叶栅设计就是要控制好叶型表面马赫数分布规律。 实际气体存在粘性，叶片表面会有附面层。实际气体存在粘性，叶片表面会有附面层。通常，叶盆表面逆压梯度不大，附面层不厚。但在叶背表面，流动的逆压梯度较大，还可能有激波出现。通过激波后静压升高很多，使附面层气流进一步增厚甚至分离（激波干扰诱导附面层分离），造成严重流能损失。 当气流分别由叶背和叶盆流到后缘时，两边附面层流汇合成叶片尾迹涡流区。叶背附面层厚，叶盆附面层薄，尾迹区不对称。尾迹区气流总压比主流区低得多，这也引起较大的流能损失。图图3-19n 尾迹区与主流区总压和流速均不同，在叶型下游会产生两者相互掺混（类似于气

10、体射流现象），这也伴随有流动损失。随流动向下游继续发展，尾迹区变宽，外主流区和尾迹区不均匀程度减少。n 平面叶栅中流动损失：平面叶栅中流动损失：n (1）附面层内气流粘性摩擦损失。n (2) 附面层气流分离损失，尤其n激波附面层干扰会加重分离，n使分离损失增加很多。n (3)尾迹损失。n （4）尾迹与主流区或称尾迹后气流调匀损失）。n (5)气流流过激波本身而导致的总压下降（损失）。通常由激波本身导致的损失远较激波附面层干扰引起的损失小。 叶栅通道合理设计、来流方向与叶叶栅通道合理设计、来流方向与叶栅进口几何方向大致一致时，叶背上附栅进口几何方向大致一致时，叶背上附面层气流不分离，损失小，效率

11、高。面层气流不分离，损失小，效率高。 若来流方向设计不合理，叶型表面若来流方向设计不合理，叶型表面附面层会分离，损失大。附面层会分离，损失大。 叶栅几何参数与气动参数协调与否，叶栅几何参数与气动参数协调与否，对叶栅流动有较大影响对叶栅流动有较大影响！图图3-19n4 平面叶栅的气动特性参数平面叶栅的气动特性参数n 叶栅流场中每一点的流动参数都是不同的叶栅流场中每一点的流动参数都是不同的。而通常从总体或平均意义总体或平均意义上看，可以沿额线方向在一个栅距内取其气流平均值取其气流平均值，来代表叶栅远前方和远后方完全均匀的气流的参数。n 用1-1截面表示栅前，2-2截面表示栅后，对气动参数标分别以注

12、脚“1或“2”。n 描述叶栅流动的基本气动参数如下(图3-16)。平面叶栅这些气动参数平面叶栅这些气动参数之间存在有密切关系之间存在有密切关系 表征来流特征的参数表征来流特征的参数 表征气动参数与叶栅表征气动参数与叶栅 几何参数关系的参数几何参数关系的参数 表征叶栅气动性能的表征叶栅气动性能的 气动参数气动参数 n5 亚音速平面叶栅风洞实验亚音速平面叶栅风洞实验n 在叶栅风洞中，研究不同来流条件(进口马赫数和攻角)下，不同几何特征叶栅气动性能。n n 通常，即使在亚音速马赫数为0.75左右时，叶栅流场中也会出现局部超声速区，存在激波、激波-附面层干扰、附面层分离及主流区和尾迹区掺混现象。因此，

13、这种复杂流动难以完全靠计算获得准确定量结果，而需要进行平面叶栅实验研究以获得可靠数据。n n (1)叶栅风洞实验方法叶栅风洞实验方法 理论上，沿圆周所切得的环形叶栅展开在平面上后，相当于是由无限多个叶型组成的平面叶栅！因此，为足够精确地用有限个叶型的叶栅来模拟无限叶栅，叶栅模型的叶型数量一般一般不少于7个。n 为减少风洞壁面气流附面层影响，叶片相对高度n hb通常大于2。 n为进一步减少风洞壁面气流附面层影响，可对壁n 面附面层内低动能气流进行抽吸。此外，为减少n 外界大气扰动对实验气流的影响，可施加栅后导n 流板，使连接叶片的端板向后面延伸。n 数据测量位置应选在叶栅模型中间的流动通道n 和

14、半叶高截面上，以最大限度地降低受风洞侧壁 n 的影响。n n 实验时，转转动圆盘动圆盘改变来流与叶栅相对位置，从而改变气流攻从而改变气流攻角角，来流马赫数来流马赫数由气源总压控制由气源总压控制来改变来改变。n 实验测量记录栅前和栅后气流参数，可获得叶栅气动性能变化曲线：n 通常，在来流马赫数较低条件下(小于o.4o.6)，以上性能曲线主要随来流攻角变化，此即称为平面叶栅的攻角特性曲线（常规特性）.n (2)低M数下平面叶栅的攻角特性（曲线）平面叶栅的攻角特性（曲线）n n n 在攻角不太大情况下，叶片表面为附体流动（气在攻角不太大情况下，叶片表面为附体流动（气流无分离），气流落后角流无分离），

15、气流落后角=2k2k-2 2基本不变。根据基本不变。根据公式公式=+i-=+i-，给定叶栅叶型弯角，给定叶栅叶型弯角 不变（纯几何不变（纯几何参数），故参数），故与攻角与攻角i i呈线性变化关系。呈线性变化关系。n 在附体流中，气流损失基本由附面层内粘性气流在附体流中，气流损失基本由附面层内粘性气流摩擦所引起，流动损失系数基本不变。摩擦所引起，流动损失系数基本不变。 n 当攻角继续增大到某一值时，叶型表面n气流开始出现分离现象，落后角开始。 n =+ i -n 因此，随攻角i，增大幅度变慢，流动损失（系数）开始增加。n 当攻角增大到某临界攻角值时，达到最大值；继续增大攻角，气流便严重分离。 (

16、3) 较大来流较大来流M数下叶栅数下叶栅 攻角特性（曲线）攻角特性（曲线） 当进口气流马赫数超过o.6o.7 时，它开始对攻角特性有明显作用。此时，对每一套叶栅，都应有如图3-23所示的变化曲线簇：（Ma参变量参变量）(i自变量自变量)图图3-23 此时，叶栅通道中会出现局部超声区，出现激波，激波与附面层干扰加重气流的分离。 工程上定义：发生损失系数急剧增大时所对应的叶栅进口来流马赫数为临界马赫数，用Macr表示（表示（ Macr 1）。 将某一叶栅在某攻角时的临界马赫数作为设计准则，设计时应保证设计叶栅的进口气流马赫数小于临界马赫数。 采用最大厚度和最大挠度位置后移的薄叶型，能提高叶型临界马

17、赫数。影响叶栅攻角特性的其它因素还有雷诺数和紊流度等。n 6 平面叶栅的额定特性平面叶栅的额定特性n （通用特性（通用特性)n 图3-24为平面叶栅的n额定特性曲线，又称为通用n特性线，是由大量几何参数n不同的叶栅实验结果汇集而n成的曲线簇，可以用来确定确定n叶栅稠度叶栅稠度（叶栅设计任务之叶栅设计任务之n一一）。n n 如如：已知某基元级速度已知某基元级速度三角形动叶流入角三角形动叶流入角 1 15050，流出角流出角 2 2 80 80 。 为实现这一速度三角形为实现这一速度三角形 ，从图，从图3-24 3-24 中由中由 80-5080-5030 30 和和 2 2 80 80 可查出：

18、可查出：稠度值可取稠度值可取1.21.2。 若若 1 1 40 40 ， 2 2仍为仍为80 80 ，从图查得稠度从图查得稠度2.52.5。 在额定出气角一定时，稠度值愈大，则可实现额定工作气流转折角愈大；在稠度一定前提下，额定出气角愈大，则可实现的额定气流转折角也即愈大！n 额定特性线曲线族不是根据一套叶栅的实验结果而得到的，它是根据一系列不同几何参数叶栅（稠度由稀到密，弯角由小到大，叶片安装角由斜到正等）的风洞实验n结果汇总而成的。n 因此，图中曲线上每一n个点均对应代表一套特有几n何参数的叶栅。n n 从实现对气流最大加功和扩压角度看，设计时希望选取 。n 而从攻角特性曲线上看，最大转角

19、时对应的流动损失已经很大，这会导致叶栅效率较低。此时若使攻角再增大的话，气流转折角将开始降低，并且损失变得更大。n 鉴于此，在攻角特性曲线上选取额定设计点时，应兼顾以上考虑，同时使叶栅还要具备一定偏离设计工况的裕度。 但是，对于一个具体叶栅来说，偏转角是随攻角而变化的，那么应将一个具体叶栅攻角特性曲线上的哪个点用在额定特性曲线上?n 为此，通常在叶栅攻角特性曲线上选 n 点作为叶栅的额定工作点(设计工作点，设计点)，并由此作额定特性曲线。 n 对应于额定工作状态n的气流参数，也通常在其n右上角注以*号（不要与气（不要与气n流总参数搞混！）流总参数搞混！）n ，即适用于低进口气流马赫数情n 况，

20、通常 。n 适用于小攻角i的情况，通常 。n 只能用来确定额定状态下所需要的叶栅稠度值，绝对不能用来分析偏离额定状态工作时叶栅气动参数变化。n 使用图3-24所示的额定特性曲线，应严格遵守如下的应用限制条件限制条件。n 对于常规压气机采用的叶型，气流转折角的对于常规压气机采用的叶型，气流转折角的额定值主要与稠度额定值主要与稠度及额定出气角及额定出气角2有关，而与有关，而与叶栅其它几何参数叶栅其它几何参数(叶型弯角叶型弯角、相对厚度等、相对厚度等)基本基本无关无关。 解释额定特性曲线变化原因解释额定特性曲线变化原因 n6 基元级叶栅的扩散因子基元级叶栅的扩散因子n 亚音速压气机叶栅设计流道是扩张

21、形的，流动减速增压，因此存在逆压力梯度，使叶片表面气流附面层易发生分离。n 若附面层出现严重分离，将使流动损失剧增！因此，对叶栅通道扩张程度一定要有所限制！ n 如何描述压气机叶栅的扩张程度如何描述压气机叶栅的扩张程度? 通过定义扩散因子(简称D因子)这个参数，可以评定叶栅通道扩张程度，还可作为设计准则之一，用以控制叶片承受的气动负荷（载荷）。n 栅前气流以速度w1流过叶背时，首先加速到最大速度wmax，然后减速到栅后速度w2 , 从最大速度点至后缘存在很大逆压（反压）梯度。叶栅流动损失剧增主要原因就是叶背上气流附面层分离。 采用扩散因子的目的：用简单方法把逆压梯度表达出来，建立起叶栅几何形状

22、参数、气动力参数与逆压梯度之间的关联。n 叶背气流叶背气流扩压扩压 叶背气流叶背气流减速减速 因此，通过使用速度参数来间接表征扩压程度及定义扩散因子D，可便于直接与速度三角形参数和叶栅稠度值联系起来。 最大速度降数值最大速度降数值 （等效表征等效表征了最大逆压程度）了最大逆压程度）n 一般情况下，wmax的值很难准确确定。 实验发现：实验发现： 进行简化可得： 实际应用中，采用出现w1参数的表达式，更便于计算和分析，又定义D为：n 由此看出D因子物理含义：表征相对气流表征相对气流流过叶栅过程的相对扩压幅度流过叶栅过程的相对扩压幅度。n 根据实验结果和经验数据，动叶动叶叶尖处叶型的D因子值不应超

23、过o.4，否则会导致较大损失; 动叶动叶沿叶高的其它部位叶型以及静叶静叶叶型的D因子值不宜大于o.6，不然也会导致叶栅扩压效能下降。 n 提醒提醒：扩散因子D对低速低速流基元叶栅（动叶+静叶）和高速高速流叶栅都是适用的都是适用的。叶背附面层气流分离由逆压梯度造成，故只要控制了叶背气动负荷增长的程度气动负荷增长的程度(扩压的过程和幅度扩压的过程和幅度)，就可避免叶片相对流动粘性附面层分离。n 设计中，只要给定或选定了许用的D因子数值，即可用以上公式确定低速或高速低速或高速流叶栅的稠度值。n8 基元级叶栅的基元级叶栅的构型设计构型设计n 根据基元级速度三角形及平面叶栅实验结果以及应考虑的其它影响因

24、素，确定得出平面叶栅的全部几何参数全部几何参数，从而得到所设计的叶型和叶栅。得到所设计的叶型和叶栅。n 在以上确定了叶栅的稠度、叶型弯角(先选定好攻角)、叶型进口几何角和出口几何角等几个特征参数后，叶栅的其它不少参数还有待确定，主要是叶型型面等几何参数，以下对此简要介绍。n （1）叶型的选择）叶型的选择n 未弯曲之前的对称叶型（或翼型对称叶型（或翼型）称为原始原始叶型叶型(基准叶型，基本叶型)。n 在压气机叶栅设计中，首先要根据给定要求选定原始基准叶型。亚声速亚声速压气机压气机常用的有三种常用的有三种原始叶型原始叶型，表3-1给出这三种基准叶型的型面坐标型面坐标数据，其中数据，其中厚度分布(Y

25、坐标) 是对称的，故只给出半个厚度的值（即y值）（它们的厚度分布规律是不同的，有的前部“胖”一些，有的前部“瘦”一点）。 目前亚声速压气机亚声速压气机中采用的叶型都是都是基于对称基于对称的飞机机翼的翼型的飞机机翼的翼型（或薄翼螺旋桨叶型），按一定要求进行弯曲而形成弯曲而形成的。n 通过平面叶栅吹风实验，发现对气动性能(临界马赫数等)影响大的几何参数有：n 叶型最大相对厚度值及其位置，中弧线的最大相对挠度值及位置，原始叶型的厚度值分布情况等。n 应该根据叶栅进口马赫数的数值，来考虑应该根据叶栅进口马赫数的数值，来考虑上述参数的选择和确定上述参数的选择和确定。n 最大相对厚度值愈大，叶栅临界马赫数

26、愈小，反之临界马赫数越愈大。亚声速亚声速级压气机常用的三种级压气机常用的三种原始叶型原始叶型: : C-4，NACA65-010，BC-6，它们最大相对厚度厚度都为1010。n 因此，在强度和工艺许可条件下，应尽量选择薄一些的叶型，以获得较高的来流临界马赫数，能够得以在更宽的亚音速范围内工作和使用。 n 由于叶型最大厚度直接影响叶片的结构强度和刚度，尤其动叶的叶根，因此必须综合考虑来选定最大厚度。 动叶叶尖相对气流马赫数通常较高，其叶型的最大厚度应选取较小的值。n n n 叶型最大厚度截面位置相对靠后一些，能提高叶栅临界马赫数，适作高亚声速叶型。n 叶型最大相对挠度越大，叶型弯角即越大，叶栅的

27、临界马赫数便越小。n 攻角的选取非常重要攻角的选取非常重要！它直接影响到效率和失速裕度，其选取主要以实验和经验为基础做综合考虑综合考虑： n 对叶高位置不同处的基元叶栅及所选用原始叶叶高位置不同处的基元叶栅及所选用原始叶型的不同，通常来流攻角应选取不同的值！型的不同，通常来流攻角应选取不同的值！ n 对基元叶栅的动叶和静叶，其采用攻角的大小对基元叶栅的动叶和静叶，其采用攻角的大小也是有差别的！也是有差别的！ n 选取工作攻角时，不能只追求设计点性能最佳选取工作攻角时，不能只追求设计点性能最佳n，必须兼顾压气机非设计工况性能和稳定性。，必须兼顾压气机非设计工况性能和稳定性。n 选择攻角值时，还应考虑三元流影响效应选择攻角值时，还应考虑三元流影响效应。n（2）攻角的选择和落后角的确定）攻角的选择和落后角的确定n 落后角的确定也很重要落后角的确定也很重要！它不仅影响到叶栅加功和扩压，而且还影响下一排叶栅气流流入角。 n 以大量平面叶