叶轮机械原理chapter4

叶轮机械原理chapter4第1页/共67页2006-3本节作业1.推导简化径向平衡方程，并说明径向压力梯度的产生机理。2.试证明等反力度扭向规律中，气流的周向速度随半径是增加的。第2页/共67页2006-3引言→正问题→反问题Given：压气机几何和工作条件Solution：压气机性能分析问题Given：压气机性能和工作条件Solution：压气机几何气动设计问题设计问题第3页/共67页2006-3气动设计准则、规范和数据库总性能指标一维设计通流设计叶片造型全三维数值模拟设计和非设计点性能预估结构、强度和振动设计级数、级压比、级效率、转速和流道等确定各排叶片的速度三角形，以及叶片造型需要的其它参数。确定各排叶片三维几何形状分析压气机内部三维流动，检查流动是否存在明显缺陷。近转子吸力面马赫数分布引言气动设计流程流量、压比、效率等分析各个转速下的压气机性能流道第4页/共67页2006-3引言如何确定速度三角形如何进行叶片造型多级轴流压气机设计的基本问题全三维数值计算在叶轮机械气动设计中的应用轴流压气机气动设计某些发展趋势本章主要内容第5页/共67页2006-3轴流压气机速度三角形的确定背景及意义

知道了流量、转速、流道、级压比和级效率，是否就可以画出转子各个基元的速度三角形？（设计中各个基元的压比和效率是给定的）各排叶片基元速度三角形的确定是压气机通流设计的核心！第6页/共67页2006-3各个基元轴流压气机速度三角形的确定背景及意义

知道了流量、转速、流道、级压比和级效率，是否就可以画出转子各个基元的速度三角形？（设计中各个基元的压比和效率是给定的）进口截面出口截面进口速度三角形出口速度三角形按照上述思路，可以确定出各个基元的速度三角形。第7页/共67页2006-3轴流压气机速度三角形的确定背景及意义各个基元进口截面出口截面叶尖速度三角形叶中速度三角形叶根速度三角形

原来压气机的设计是件挺简单的事！第8页/共67页2006-3轴流压气机速度三角形的确定背景及意义

在上述确定各个基元速度三角形的过程中，我们认为各个基元的流动相互间是没有影响的。这种影响机制是什么？实际上叶片各个基元的流动是否存在相互影响呢？如何分析叶片各个基元之间的影响机制？圆柱坐标系中N.-S.基本方程组中的径向动量方程找到其控制方程！第9页/共67页2006-3轴流压气机速度三角形的确定简单径向平衡方程假设：不考虑流体微团的粘性设流动是轴对称的流动是定常的气体所受重力不计则圆柱坐标系下径向动量方程退化为：第10页/共67页2006-3轴流压气机速度三角形的确定简单径向平衡方程进一步假设：简化径向平衡方程只研究叶片排之间轴向间隙中的流动：各个基元进口截面出口截面流动沿一系列同心圆柱面流动：

表明各个基元的流动是相互制约的。这种机制被称为径向平衡第11页/共67页2006-3轴流压气机速度三角形的确定简单径向平衡方程机械能形式的能量方程：等功、等熵增条件下的简化径向平衡方程第12页/共67页2006-34.1简单径向平衡方程及其应用扭向规律1.等环量设计规律如果在叶片设计中选定：则有：等功、等熵增条件下的简化径向平衡方程轴向速度沿叶高不变。等环量设计自然保证了轮缘功沿叶高不变。等环量设计

实验测量结果验证了等环量设计中气流轴向分速沿叶高保持不变的规律，验证了计算的可靠性，大大提高了设计分析的准确性。

轮缘功：第13页/共67页2006-3轴流压气机速度三角形的确定各个基元进口截面出口截面叶尖速度三角形叶中速度三角形叶根速度三角形扭向规律1.等环量设计规律这个设计是不是等环量设计？动叶进口相对Mach数容易过高一个基元的加工粮食不是任意的？加工量受限于根部还是尖部基元的速度三角形？怎么办？第14页/共67页2006-3轴流压气机速度三角形的确定各个基元叶尖速度三角形叶中速度三角形叶根速度三角形扭向规律1.等环量设计规律如何加预旋。静叶进口绝对Mach数容易过高第15页/共67页2006-34.1简单径向平衡方程及其应用扭向规律2.等反力度设计规律轮缘功：运动反力度：第16页/共67页2006-34.1简单径向平衡方程及其应用扭向规律2.等反力度设计规律环量随半径是增加的。简化径向平衡方程：轴向速度随半径是减小的。进口环量：出口环量：第17页/共67页2006-34.1简单径向平衡方程及其应用扭向规律2.等反力度设计规律特点：轴向速度沿叶高变化，计算结果与实验结果偏差较大。转子气流Mach数和气流转角沿叶高的变化较平缓轴向速度的计算需要经验公式的修正。第18页/共67页2006-34.1简单径向平衡方程及其应用扭向规律3.中间设计规律A＝C＝0：等环量规律A＝C≠0、B＝D、B&D>0：等反力度规律A≡C时可获得等功设计。第19页/共67页2006-3

第三代、第四代航空发动机的轴流压气机能否继续采用简单径向平衡方程进行设计呢？4.2径向平衡方程及其应用背景和意义简单径向平衡方程的局限：

怎么办？第20页/共67页2006-3m4.2径向平衡方程及其应用径向平衡方程：流线弯曲会带来什么影响？ABCABCrrθnx(a)Meridionalplane(b)Viewalongaxis第21页/共67页2006-3m4.2径向平衡方程及其应用径向平衡方程：弯曲流线的运动分析

——子午面内的加速度ABCrnx(a)Meridionalplane沿流向m的加速度：沿子午流线运动时的向心加速度：曲率半径为离心加速度：这三项之和就是子午面内总的加速度ø第22页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用径向平衡方程：ABCrθ(b)Viewalongaxis周向加速度

：弯曲流线的运动分析

——r-θ平面内的加速度第23页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用径向平衡方程：加速度分解B(a)Meridionalplane子午面内沿q方向的加速度分量为：rnqøγ第24页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用径向平衡方程：Bθ(b)Viewalongaxis弯曲流线的运动分析根据动量守恒原理，在S2流面内有：eq由于：ε则有：第25页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用径向平衡方程：(a)Meridionalplane子午面内的径向平衡方程为：Brnqøγ为了将实际流动中的损失考虑进来，

最终可以得到准正交方向的径向平衡方程

第26页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法：简化为回转面采用周向平均假设简化为子午平面流线曲率法再总结一下流线曲率法的总体思路准正交方向的径向平衡方程第27页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法：径向平衡方程能干什么？Brnqøγ

给定流道、叶片几何形状，可以用于求解内部流场，从而计算出压气机特性。

分析问题

当前，S2正问题计算依然是轴流压气机设计转速、部分转速特性计算的核心手段。第28页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法：Brnqøγ

给定流道，给定转子叶片级压比、级效率，静子叶片损失系数沿叶高的分布，同样可以计算出压气机内部流场，从而可以确定出叶片各个基元的速度三角形，进而可以设计出压气机叶片。

设计问题第29页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法：

在设计中，并不需要计算到叶片内部，即求出叶片部分的流场，只需要计算出进出口的流动参数。

在多级压气机设计中，此时的S2计算就象求解管道中的流动一样。管流计算第30页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法应用NASA双级跨音风扇流道

两级压气机的设计：压比2.4流量33.25效率0.849主要参数：叶尖切线速度第一级转子428.9

第二级转子405.3为什么采用了很大的轴向间距展弦比第一级转子1.56/2.94

第二级转子1.97第31页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法应用总压沿叶高的分布

两级压气机的设计：以第一级转子为例总压损失沿叶高的分布

大展弦比设计小展弦比设计第32页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法应用两级压气机的设计：试验件及试验结果堵点喘点第33页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法应用两级压气机的设计：计算及试验结果对比第一级转子的参数对比

第34页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法应用两级压气机的设计：计算及试验结果对比第二级转子的参数对比

第35页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法应用两级压气机的设计：调试试验设计没有达标！调试调试方案：第一级静子打开10度，第二级静子关小5度。第36页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法应用某三级涡轮各级转子出口的轴流速度展向分布

第37页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法应用压气机主要参数：

某四级轴流压气机第3级出口轴向速度沿叶片展向分布随流量变化的情况轮毂比为0.75流量系数加功量系数第38页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法应用某低展弦比3级压气机出口总温和总压展向分布的实验和通流计算结果对比第39页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法应用某4级压气机中流动掺混流动显示（乙烯气体在第三级静子入口注入，虚线表示注入的半径位置）径向掺混第40页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法应用径向掺混第41页/共67页2006-34.2径向平衡方程及其应用流线曲率法应用径向掺混某8级高速压气机第8级静子入口总温和总压沿展向的分布

第42页/共67页2006-34.3叶片造型背景和意义叶型及其发展：

叶型是控制叶片通道内流动，实现设计意图的基本手段！叶型的发展变化反映了人类对于压气机内部复杂流动认识的深化！叶型的改进依然是未来轴流压气机气动性能进一步提高的基本途径！叶型设计的基本参数：

中弧线厚度分布第43页/共67页2006-34.3叶片造型传统叶型：中弧线：C4、NACA65、DCA等第44页/共67页2006-34.3叶片造型传统叶型厚度分布对比：第45页/共67页2006-34.3叶片造型传统叶型压力分布对比：第46页/共67页2006-34.3叶片造型传统叶型攻角特性对比：第47页/共67页2006-34.3叶片造型可控扩散叶型设计原则：可控扩散叶型（ControlledDiffusionAirfoilblade），简称CDA叶型

定制速度叶型（Prescribedvelocitydistributionblade）简称PVD叶型

转捩点位置的准确预测峰值马赫数的限制值分离的可靠预测难点：第48页/共67页2006-34.3叶片造型可控扩散叶型形状特点：第49页/共67页2006-34.3叶片造型可控扩散叶型攻角特性：第50页/共67页2006-34.3叶片造型超音叶型形状对比：CW-1叶型第51页/共67页2006-34.3叶片造型超音叶型形状对比：多圆弧预压缩叶型第52页/共67页2006-34.3叶片造型超音叶型形状对比：预压缩定制叶型第53页/共67页2006-34.3叶片造型叶片积叠规律叶片积叠不仅仅是个气动问题

良好的气动性能合理的强度振动特性合理的结构良好的工艺性第54页/共67页2006-34.3叶片造型叶片积叠规律简单径向积叠第55页/共67页2006-34.3叶片造型叶片积叠规律简单径向积叠第56页/共67页2006-34.3叶片造型叶片积叠规律空间任意积叠

倾斜径向积叠静子叶片倾斜叶片积叠线径向积叠线静子积叠线所在截面第57页/共6