8-相似理论解析

1、多级轴流压气机的气动计算：已知数据：空气流量G、压比、大气参数P、T1、选定进口参数轮毂比、进口轴向速度、圆周速度、进口相对马赫数2、计算进口气流参数3、计算进口结构参数4、计算出口气流参数选取基元级等熵效率、基元级反动度5、计算出口结构参数6、各级的结构参数和气流参数计算叶轮机械原理第八章 压气机实验和特性总结：1、应用经验参数、压气机气流运动理论及各种设计方法可以进行压气机设计；2、理论设计方法不够成熟；3、非设计工况点工作性能无法计算，准确可靠的压气机特性必须用实验方法作出叶轮机械原理第八章 压气机实验和特性叶轮机械原理 叶片机械相似理论n相似理论的作用：n1、如何进行模型实验或设计试验

2、模型n2、如何把模型试验结果换算到原型机n3、使一定进口条件下得到的特性线能够应用到不同的环境应用条件叶轮机械原理 叶片机械相似理论二、相似条件：1、几何相似：流动空间相似2、时间相似：两个流动中参数对时间的变化过程相似3、运动相似流线几何相似4、动力相似作用于流体质点的同名力成比例5、热力相似流动过程中能量转变过程和热量传递过程相似。6、物性相似叶轮机械原理 叶片机械相似理论叶轮机械原理 叶片机械相似理论n相似准则：n1、由方程无量纲化得到的无量纲常数；n2、由方程无量纲常数组合构成*0 01010DVDtlDVV tDt叶轮机械原理 叶片机械相似理论n无量纲相似准则数：n1、斯特劳哈尔数n

3、2、弗洛德数n3、雷诺数n4、欧拉数n5、马赫数n6、比热比n7、普朗特数相似准则： 考虑原型与模型几何尺寸大小，压气机特性关系可写成：叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况),(),(*1*11*1*11*DGnTpfDGnTpfkk 以n，G为因变量p、T、D为独立变量，应用量纲分析得到无量纲参数。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况32*11*1232*11*11)()()()(mpppmmmDTpnDTpG叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况解得：m1=1,m2=-0.5,m3=2 p1=0,p2=0.5,p3=-1 所以：*122*1*11TnDDpTG 上述两

4、无量纲数相等等价于轴向及周向马赫数相等。因此，对于压气机保证进口马赫数相等可同时保证动力相似与运动相似。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况n实验中：n缩型实验n节流法n设计中：n缩放尺寸适用新机种n加级n通用特性线 压气机工作参数 通常压气机工作状态由以下四个独立参数决定：1、空气流量G；2、压气机转速n；3、压气机进口压力P*；4、压气机进口温度T*。 叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况压气机性能参数表征压气机性能的参数为：1、压比2、效率 因此，压气机特性就是指压气机的性能参数与压气机工作参数之间的关系即：叶轮机械原理第八章

5、压气机非设计和非稳定工况*k*s),(),(*1*12*1*11*TpnGfTpnGfsk8.1单级轴流压气机特性线压气机特性线：进口温度、压力一定情况下压气机压比、效率随转速及流量变化关系曲线。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况一、单级轴流压气机特性线变化规律 ：（1）随着流量减少，压比起初升高，然后下降，每条等转速线都有最高压比点和最高效率点。（2）当空气流量减少到一定数值时，压气机工作进入不稳定工况区，每条等转速线都有产生喘振的最小流量，连接各喘振流量点得到不稳定工作线（喘振边界线）。（3）随转速升高流量特性线变得陡直。（4）一定转速下容积流量增加到某一数值时，压比、效率皆急剧

6、下降。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况 二、单级压气机特性分析叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况流量变化时速度三角形变化规律1、偏离设计工况点流量增大形成负攻角，理论功减少；2、偏离设计工况点流量减少形成正攻角，理论功增加（在一定范围内）；3、摩擦损失随流量增加单调增大，撞击与分离损失取决于偏离设计工况点程度，因此在每条等转速线上存在效率最高点。4、高转速下特性线陡峭，原因在于高转速情况下容易发生“阻塞”现象。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况8.2多级轴流压气机特性线特点：

7、一、多级轴流压气机特性特点1、多级轴流压气机在非设计工况下级间不协调。2、多级轴流压气机工况偏离在各级中逐渐放大。二、压气机进口总温、总压对特性线的影响：1、总温不变总压改变情况下各特征截面压比成比例变化，特性线形状保持不变。（注：流量发生变化）*2、总压保持不变进口总温上升压比减小，反之上升。（注：轮周功不变）3、轮周功改变情况下特性曲线也要发生改变。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况某型发动机九级轴流压气机特性图叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)压气机通用特性线8.4压气机非稳定工况

8、与进口流场畸变一、非稳定工况： 在压气机特性图上，有一条不稳定工作边界，不稳定工作边界也被称为喘振边界或者失速极限边界线。压气机是不允许在不稳定工作边界的左方工作的，它会导致压气机性能急剧恶化并造成压气机叶片振动断裂等严重故障。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)二、压气机非稳定工况的分类 压气机非稳定工况可以分成两大类。 第一类：属于气动弹性现象，这时，叶片的振动属于自激振动，这种现象被称之为颤振。 第二类：是单纯气动现象，它也会激发叶片的振动，但这种叶片振动性质属于他激振动。 第二类非稳定工况又分为两种： 一是旋转失速或称旋转分离；另一种是喘振现象。两者既有差

9、异又有联系。非稳定工况经常以旋转失速出现，进一步可能发展至喘振。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)三、旋转失速： 1、定义： 当转速一定而空气流量减少时，就会引起转子动叶攻角的增加。空气流量减少到一定程度就能观察到不稳定流动，同时压气机发出特殊叫声，振动也增大。在动叶后测得的流场表明，有一个或多个低速气流区以某一转速沿动叶旋转方向转动，这种非稳定工况被称之为旋转失速。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)2、产生的机理分析叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)（1）、当压气机空气流量减少而使动叶攻角增大到临

10、界攻角附近时，动叶排中的某几个叶片可能首先发生分离，于是，在这些出现分离区的叶片前面出现了明显的气流堵塞现象。（2）、这个受阻滞的气流区使周围的流动发生偏转，从而引起左面叶片（图中3号叶片）攻角增大并分离。与此同时，右面叶片（图中1号叶片）的攻角减小并解除分离，因而分离区相对于叶片排向左传播，即按图中的叶片序号由小向大地传播。（3）如果站在动叶上看，失速就朝着叶片旋转方向相反的方向移动，如图所示。由实验测定，这种移动速度比圆周速度u要小，因而站在绝对坐标系上观察时，旋转失速区以比压气机转速为低的速度，和压气机旋转方向相同作旋转运动，故称为旋转失速。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(

11、压气机的特性与调节)3、分类：旋转失速区可以分成两种： （1）平稳型旋转失速（或称渐进型旋转失速） ： 其特征是随着流量的下降，压气机的性能是逐渐地但却是连续地下降。 平稳型旋转失速往往发生在轮毂比较小的级，如多级压气机前面的一些级。旋转失速往往是在一两个叶片的叶尖处先产生，而后向周向、径向发展。由于叶片较长，所以旋转失速还不至于“充满”整个环形面积或扩展至整个叶高。所以，反映在特性线上还是连续变化的。平稳的旋转失速可以有多个失速区同时存在。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)（2）突跃式旋转失速： 其特征是随着流量下降到一定程度时，压气机性能会出现突然的下降。

12、突跃式旋转失速往往产生在轮毂比比较大的级，如多级压气机的后面级，在那里叶片短，旋转失速一旦产生就可能波及整个叶高，在周向扩展也大，所以就会影响整个叶片环的正常工作，从而使压气机性能突然降低。突跃式旋转失速往往只有一个失速区。 至于压气机的中间级，轮毂比中等，可以产生平稳的旋转失速而后随着流量下降就可能产生突跃式的旋转失速。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)4、旋转失速的特征：（1）旋转失速时，气流脉动是沿压气机周向变化和传播的；（2）平稳型旋转失速时，流过压气机的流量基本不变，突跃式旋转失速时气流

13、参数会发生突然的下降；（3）旋转失速的流场是非轴对称的；（4）旋转失速时，其气流脉动频率和脉动振幅和流路容积特性无关，主要取决于压气机的工况（轴向速度和转速），同时还和叶片排几何参数有关；（5）旋转失速时，振动频率较高。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)5、旋转失速对压气机正常运行的严重影响表现形式：（1）使压气机的气动性能明显恶化。（2）突跃式的旋转失速还会使压气机因性能急剧恶化而无法工作；（3）旋转失速出现会产生频率较高、强度大而危险的激振力，并可能导致叶片共振断裂。统计表明，旋转失速是使压气机叶片疲劳断裂的主要原因之一。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非

14、稳定工况(压气机的特性与调节)四、喘振1、定义： 压气机喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率（通常只有几赫或十几赫）、高振幅（强烈的压强和流量波动）的气流振荡现象。这种低频率高振幅的气流振荡是一种很大的激振力来源，它会导致发动机机件（首先是压气机）的强烈机械振动和热端超温，并在极短时间内造机件的严重损坏，所以，在任何工作状态下都不允许压气机进入喘振区工作。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)2、表现形式：压气机喘振时的现象可以表述如下：（1）音调低而沉闷；（2）非常强烈的机械振动；（3）压气机出口总压和流量大幅度的波动；（4）转速不稳定；（5）功率或推力突然下降

15、并大幅度波动；（6）有时还出现发动机熄火；（7）有时在发动机进口处有明显的气流吞吐现象包括燃烧室内的高温高压燃气倒流“吐火”现象；（8）有时则伴随有放炮声等。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)3、产生的机理： 虽然旋转分离和喘振是两种表现不同的现象，但是，它们产生的原因都是由于压气机叶片的叶背出现了气流分离和分离扩展，而且在这两种不稳定工作的发展过程中有着密切的联系。甚至有人认为旋转分离是喘振的前奏和重要起因。下面对喘振物理过程进行简单描述和解释。 发生喘振的原因是在压气机叶片的叶背上出现了气流分离而且这种分离严重扩展至整个叶栅通道。 可以概括为：流动、分离、倒

16、流（或中断），然后再流动、再分离、再倒流（或再中断）的周期性气流振荡。 叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)（1）、关小节气门，流量下降，气流攻角增加，当流量减少到一定程度时，流入动叶的气流攻角大于设计攻角，于是动叶叶背出现气流分离，流量下降越多，分离区扩展越大。（2）当流量下降到这样的程度，即，分离区扩延至整个压气机叶栅通道，则压气机叶栅完全失去扩压能力，这时，动叶再也没有能力把气流压向后方，克服后面较高的反压气体，于是，流量急剧下降，（3）不仅如此，由于动叶叶栅失去扩压能力，后面高压气体还可能通过分离的叶栅通道倒流至压气机的前方（这就是压气机喘振时，向前方吐气

17、流或“吐火”的现象）.叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)（4）由于压气机后面的高压气流倒流至前方（或由于叶栅通道堵塞，气流瞬时中断，压气机后涡轮部件继续向后抽气的结果），压气机后面的反压降得很低，整个压气机流路在这一瞬间就变得“很通畅”，而且由于压气机仍保持原来的转速在旋转，于是瞬时大量气流被重新吸入压气机，压气机恢复“正常”流动和工作，流入动叶的气流由负攻角很快增加到设计值，压气机后面也建立起了高压强的气流，这是喘振过程中气流重新吸入状态。（5）然而，由于发生喘振的流路条件仍然没有改变（即排气门位置仍在关小位置上，或发动机共同工作线进入了不稳定边界），因而，随

18、着压气机后面反压的不断升高，压气机流量又开始减小，直到分离区扩延至整个叶栅通道，叶栅再次失去扩压能力，压气机后面的高压气体再次向前倒流（或瞬时中断）如此周而复始地进行下去，这一过程就是喘振的物理过程。可以概括为：流动、分离、倒流（或中断），然后再流动、再分离、再倒流（或再中断）的周期性气流振荡。叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)n喘振裕度的定义：非设计工况1：叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)额定转速压比低于设计值 后面级流量系数加速增加容易引起阻塞非设计工况2：叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况(压气机的特性与调节)额定转速压比高于于设计值 前面级流量减少，压比升高，后面级流量系数加速减小容易引起阻塞非设计工况3：叶轮机械原理第八章 压气机非设计和非稳定工况