葉輪機(jī)械原理_第五章

1、1,第五章 軸流壓氣機(jī)性能特性,第2次作業(yè) 1，新講義P138，第10題： 一臺(tái)高涵道比風(fēng)扇，在標(biāo)準(zhǔn)海平面大氣條件下 ，風(fēng)扇流量為360kg/s，風(fēng)扇壓比為1.65，風(fēng)扇效率為0.89，風(fēng)扇直徑1.6m，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為n=5000r/min。 （1）計(jì)算傳動(dòng)這臺(tái)風(fēng)扇動(dòng)力的功率數(shù)值； （2）按縮型比為0.6縮型此風(fēng)扇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，其動(dòng)力原功率為多少千瓦？ （3）實(shí)驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力必須達(dá)到的轉(zhuǎn)速是多少？ 2，新講義P138，第6題： 用物理圖畫說(shuō)明旋轉(zhuǎn)失速的機(jī)理。 3，新講義P138，第7題： 簡(jiǎn)述喘振的物理全過(guò)程。為什么有時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入喘振時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)口處會(huì)出現(xiàn)“吐火”的現(xiàn)象？,2,上節(jié)課內(nèi)容回顧,對(duì)于幾

2、何相似的壓氣機(jī)，如果流動(dòng)進(jìn)入自模區(qū)，沒(méi)有臨界截面，流動(dòng)相似需要滿足：,壓氣機(jī)內(nèi)流動(dòng)相似，需要滿足：,軸流壓氣機(jī)的等價(jià)相似準(zhǔn)則,幾何相似；運(yùn)動(dòng)相似；動(dòng)力相似。,進(jìn)口Ma數(shù)相等（包括大小和方向）?？紤]到動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)，需要保持進(jìn)口Ma數(shù)、葉尖切線Ma數(shù)相等。,3,上節(jié)課內(nèi)容回顧,單級(jí)壓氣機(jī)的實(shí)驗(yàn)特性曲線 亞聲速壓氣機(jī)超跨聲速壓氣機(jī),4,上節(jié)課內(nèi)容回顧,多級(jí)軸流壓氣機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下級(jí)間的不協(xié)調(diào)性,若工作壓比高于設(shè)計(jì)值，此時(shí)流道收縮太慢，軸向速度逐級(jí)加速變??； 若工作壓比低于設(shè)計(jì)值，此時(shí)流道收縮太快，軸向速度逐級(jí)加速變大。,第 一 級(jí),第 二 級(jí),末 級(jí),5,上節(jié)課內(nèi)容回顧,四類非設(shè)計(jì)工況分析,6,5.3

3、 軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用,5.3 軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用,應(yīng)用一：在進(jìn)行壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，運(yùn)用相似理論來(lái)減少驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的功率 。,7,5.3 軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用,1，縮型實(shí)驗(yàn),所需實(shí)驗(yàn)臺(tái)功率、轉(zhuǎn)速的變化 （1）確定相比較的對(duì)象；（2）相似準(zhǔn)則的選?。?（3）確定相比較的截面。,8,5.3 軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用,2，進(jìn)口節(jié)流法實(shí)驗(yàn),另一種減少實(shí)驗(yàn)壓氣機(jī)消耗功率的辦法是關(guān)小壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置中的進(jìn)氣節(jié)流閥，使進(jìn)入壓氣機(jī)的氣體總壓降低，從而減少流量，減少消耗功率。 （1）確定相比較的對(duì)象；（2）相似準(zhǔn)則的選??； （3）確定相比較的截面。,9,5.3 軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用,例題1、

4、 風(fēng)扇/壓氣機(jī)縮型實(shí)驗(yàn),所設(shè)計(jì)的戰(zhàn)斗機(jī)用小涵道比風(fēng)扇，在標(biāo)準(zhǔn)海平面大氣條件下，風(fēng)扇流量為105kg/s，風(fēng)扇壓比為2.2，效率為0.88，風(fēng)扇直徑900mm，轉(zhuǎn)速為n=10500r/min。 （1）進(jìn)行縮型實(shí)驗(yàn)研究，相似準(zhǔn)則必須滿足哪些？ （2）如果實(shí)驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力功率最大僅能提供2000千瓦，按多少縮型比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究比較適宜？ （3）實(shí)驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力必須達(dá)到的轉(zhuǎn)速是多少？,10,5.3 軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用,求解： （1）幾何尺寸有變化，因此其相似準(zhǔn)則應(yīng)是,同時(shí)必須滿足雷諾數(shù)大于2105,（2）原型所需耗費(fèi)的功率為：,11,5.3 軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用,求解： （2）縮型所需耗費(fèi)的功率為：,（3

5、）實(shí)驗(yàn)臺(tái)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速： 滿足 的相似條件,12,第五章 軸流壓氣機(jī)性能特性,例題2、 進(jìn)口節(jié)流法 若例題1中實(shí)驗(yàn)臺(tái)的縮型比采用1:2，其動(dòng)力源功率仍然滿足不了縮型實(shí)驗(yàn)的要求，此時(shí)采用進(jìn)口節(jié)流法的相似準(zhǔn)則是什么？進(jìn)口總壓下降10%的時(shí)候?qū)嶒?yàn)臺(tái)實(shí)際消耗功率是多少？,13,5.3 軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用,求解： （1）在幾何尺寸不變時(shí)，節(jié)流法的相似準(zhǔn)則是：,（2）節(jié)流后所需耗費(fèi)的功率為：,（3）校驗(yàn)雷諾數(shù)的大??！,14,5.3 軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用,應(yīng)用二：在性能優(yōu)異的原型壓氣機(jī)上，運(yùn)用相似理論來(lái)進(jìn)行縮放、加零級(jí)設(shè)計(jì) 。,1，利用好的原型壓氣機(jī)進(jìn)行縮放設(shè)計(jì),一臺(tái)性能良好的多級(jí)壓氣機(jī)可以按相似

6、準(zhǔn)則進(jìn)行放大或縮小，應(yīng)用到所需要的新機(jī)種中去。,對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究中的高性能新型壓氣機(jī)進(jìn)行放大（由于實(shí)驗(yàn)壓氣機(jī)尺寸多半較?。┚涂蓱?yīng)用于新機(jī)種。,15,5.3 軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用,2，壓氣機(jī)“加零級(jí)”設(shè)計(jì) 所依賴的相似準(zhǔn)則,在什么截面上應(yīng)用上述相似準(zhǔn)則？,16,5.3 軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用,例題3、 壓氣機(jī)加零級(jí)設(shè)計(jì),我院研制的WP11的原型為美國(guó)J69發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)由一級(jí)軸流壓氣機(jī)和一級(jí)離心壓氣機(jī)組成，其軸流壓氣機(jī)是在原法國(guó)產(chǎn)小型發(fā)動(dòng)機(jī)Marbore2上“加零級(jí)”而來(lái)。,“加零級(jí)”設(shè)計(jì)的相似準(zhǔn)則是什么？,如果要把WP11改為小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，請(qǐng)問(wèn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣進(jìn)口條件下，若新的“零級(jí)” 級(jí)壓比

7、為2.0、效率為0.88時(shí)，原壓氣機(jī)級(jí)轉(zhuǎn)速提升多少？?jī)?nèi)涵空氣流量能增大多少？,17,5.3 軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用,求解： （1） “加零級(jí)”設(shè)計(jì)的相似準(zhǔn)則是,在什么截面上應(yīng)用如下等式？,問(wèn)：是否滿足雷諾數(shù)大于2105？,18,5.3 軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用,求解： （2）“零級(jí)”后的總溫為：,滿足相似準(zhǔn)則所需達(dá)到的新轉(zhuǎn)速、流量：,19,5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn),5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn) 不穩(wěn)定工況的分類,壓氣機(jī)非穩(wěn)定工況可以分為兩大類。第一類屬于氣動(dòng)彈性現(xiàn)象，這時(shí)葉片的振動(dòng)屬于自激振動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱之為顫振。這種現(xiàn)象不在這里介紹。,第二類是單純氣動(dòng)現(xiàn)象，它也會(huì)激發(fā)葉片的振

8、動(dòng)，但這種葉片振動(dòng)性質(zhì)屬于他激振動(dòng)。 第二類非穩(wěn)定工況又分為兩種：一是旋轉(zhuǎn)失速或稱旋轉(zhuǎn)分離；另一種是喘振現(xiàn)象。二者既有差別又有聯(lián)系。,20,5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn),一，旋轉(zhuǎn)失速,當(dāng)轉(zhuǎn)速一定而空氣流量減少時(shí)，就會(huì)引起轉(zhuǎn)子動(dòng)葉攻角的增加。空氣流量減少到一定程度就能觀察到不穩(wěn)定流動(dòng)，同時(shí)壓氣機(jī)發(fā)出特殊叫聲，振動(dòng)也增大。在轉(zhuǎn)子后測(cè)得的流場(chǎng)表明，有一個(gè)或多個(gè)低速氣流區(qū)以某一轉(zhuǎn)速沿動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這種非穩(wěn)定工況被稱為旋轉(zhuǎn)失速。,21,5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn),旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的經(jīng)典解釋,率先出現(xiàn)分離區(qū)的葉片前面出現(xiàn)了明顯的氣流阻塞現(xiàn)象，受阻滯的氣流區(qū)使周圍的流動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起左面葉片攻

9、角增大并分離，同時(shí)引起右面葉片的攻角減小并解除分離，因而分離區(qū)相對(duì)于葉片排向左傳播，即相對(duì)轉(zhuǎn)子葉片按照葉片旋轉(zhuǎn)方向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 站在絕對(duì)坐標(biāo)系上觀察，旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)以比壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速為低的速度，和壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。,22,5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn),失速的不同類型,有些情況下，失速團(tuán)會(huì)貫穿整個(gè)葉高，這時(shí)，失速團(tuán)通常只有一個(gè)。這樣的失速形態(tài)一般發(fā)展為突變性失速。突變型失速較多地產(chǎn)生在輪轂比較大的壓氣機(jī)中，由于葉片短，旋轉(zhuǎn)失速一旦產(chǎn)生就可能波及整個(gè)葉高 。 有時(shí)，失速團(tuán)有多個(gè)，但每個(gè)失速團(tuán)都沒(méi)有貫穿葉高。其失速形式稱為部分展向失速。在一定的條件下，漸進(jìn)型失速也可以發(fā)展為突變型失速。,

10、23,5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn),旋轉(zhuǎn)失速的主要特征： 旋轉(zhuǎn)失速時(shí)，失速團(tuán)沿壓氣機(jī)周向運(yùn)動(dòng)，造成周向不均勻流動(dòng)，流場(chǎng)是非軸對(duì)稱的； 漸進(jìn)型失速時(shí)，隨流量降低，壓氣機(jī)的壓升逐漸減??； 突變型失速時(shí)，壓升會(huì)發(fā)生突然的下降； 旋轉(zhuǎn)失速時(shí)，其氣流脈動(dòng)頻率和脈動(dòng)振幅與流路容積特性無(wú)關(guān)，主要取決于壓氣機(jī)的工況（軸向速度和轉(zhuǎn)速）。 危害：頻率高、強(qiáng)度大，葉片疲勞斷裂。,24,5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn),喘振 什么樣的不穩(wěn)定現(xiàn)象屬于喘振？,壓氣機(jī)的一類氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象，其流量和壓升具有周期性的高振幅振蕩，時(shí)而體現(xiàn)為非失速的正常流動(dòng)，時(shí)而表現(xiàn)為低流量低壓升的失速流動(dòng)。,喘振發(fā)生的物理機(jī)理,流量減少，攻角

11、增大，葉背全展向分離； 進(jìn)出口流量調(diào)節(jié)的不匹配 出口高反壓的管路環(huán)境 由于氣流分離導(dǎo)致的增壓能力的喪失，產(chǎn)生周期性的倒流、解除分離、正常流動(dòng)、分離、再倒流的循環(huán)過(guò)程。,25,5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn),喘振的主要特征,壓氣機(jī)出口總壓和流量大幅度的波動(dòng)； 壓氣機(jī)內(nèi)部形成逆向的軸向流動(dòng)； 發(fā)出音調(diào)低而沉悶的放炮聲； 非常強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)；轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。 喘振時(shí)，其氣流脈動(dòng)頻率和脈動(dòng)振幅與流路容積特性相關(guān)，頻率低、強(qiáng)度大。 只要具備一定的出口高反壓管路系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)失速基本上會(huì)成為喘振的前奏。,26,5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn),失速裕度的定義 流量穩(wěn)定裕度 增壓比穩(wěn)定裕度 綜合穩(wěn)定裕度的定義,對(duì)

12、于航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的壓氣機(jī)，一般情況，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)失速裕度應(yīng)為1520%左右。,27,5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn),壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)措施簡(jiǎn)介 （1）氣動(dòng)設(shè)計(jì)中的擴(kuò)穩(wěn)措施 重點(diǎn)是考慮多級(jí)壓氣機(jī)的前面級(jí)和后面級(jí) 第一級(jí)動(dòng)葉寬弦設(shè)計(jì)、機(jī)匣處理設(shè)計(jì)、大稠度 末級(jí)寬弦設(shè)計(jì)、大稠度、端彎設(shè)計(jì)、組合葉柵 各級(jí)設(shè)計(jì)攻角的限制 其它氣動(dòng)設(shè)計(jì)措施：如邊界層吸附等。,28,5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn),（2）壓氣機(jī)中間級(jí)放氣,29,5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn),（3）可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)流葉片和靜子葉片,30,第五章 軸流壓氣機(jī)性能特性,（4）雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)工作原理,31,5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn),雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)的工作原理 壓氣機(jī)的情況 在低換算轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，壓氣機(jī)的前面級(jí)正攻角增大而后面級(jí)攻角減小，可能出現(xiàn)前喘后堵。 渦輪的情況 在低換算轉(zhuǎn)速下，后面級(jí)渦輪作功能力急劇下降（或明顯下降），而前面級(jí)渦輪作功能力無(wú)明顯下降。 雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 可以在寬廣的范圍內(nèi)工作仍保持較高的壓氣機(jī)效率；自動(dòng)防喘；容易起動(dòng)等。,32,5.4 壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn),進(jìn)口畸變 為什么會(huì)產(chǎn)生進(jìn)口畸變？ 大迎角機(jī)動(dòng)，如Su37的超機(jī)動(dòng)飛