離心式壓氣機(jī)的工作原理

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理壓氣機(jī)的工作原理根據(jù)氣流在壓氣機(jī)的流動(dòng)方向，可將壓氣分為兩大類，氣流沿離開(kāi)葉輪中心方向流動(dòng)的葉做離心式壓氣機(jī)；氣流沿與葉輪軸平行方向流動(dòng)的叫做軸流式壓氣機(jī)。此外還有軸流式與離心式壓氣機(jī)混合而成的混合式壓氣機(jī)。目前使用最廣泛的是軸流式壓氣機(jī)，以下將作重點(diǎn)介紹。軸流式壓氣機(jī)的基本組成，由靜子和轉(zhuǎn)子組成。靜子由多排葉片組成，這些葉片叫做整流葉片，由一排流葉片組成的圓環(huán)叫做整流環(huán)，各整流環(huán)固定在機(jī)匣上。轉(zhuǎn)子由多排葉輪組成，每一排葉輪上固定了許多工作葉片，壓氣機(jī)葉輪最終能過(guò)葉輪軸與渦輪的工作葉輪軸相連，并由渦輪帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)。軸流式壓氣機(jī)的葉輪和整流環(huán)是交錯(cuò)排列的。一個(gè)葉輪和后面相鄰的整流環(huán)

2、構(gòu)成了壓氣機(jī)的一級(jí)。單級(jí)壓氣機(jī)增壓比不高。一般約為1.2-1.8。為了得到更高的增壓比，目前用在民航機(jī)上的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的軸流式壓氣機(jī)級(jí)數(shù)常為10-20級(jí)，壓氣機(jī)增壓比高達(dá)30-40。有些軸流式壓氣機(jī)的進(jìn)口安裝了一排固定的導(dǎo)流葉片，它們所組成的圓環(huán)叫做導(dǎo)流環(huán)。空氣在壓氣機(jī)中的流動(dòng)從進(jìn)氣道流入壓氣機(jī)的空氣，首先流過(guò)導(dǎo)流環(huán)，然后依次流過(guò)各級(jí)的葉輪和整流環(huán)，最后從末級(jí)整流環(huán)流出進(jìn)入燃燒室。由于空氣在壓氣機(jī)中的流動(dòng)較為復(fù)雜，同時(shí)氣流在不同半徑葉片通道內(nèi)的流動(dòng)大體相仿，為了便于分析，我們假想用一條通過(guò)各級(jí)葉輪平均地半徑處的直線繞葉輪旋轉(zhuǎn)，來(lái)切割葉輪和整流環(huán)葉片，得到壓氣機(jī)“基本級(jí)”，每級(jí)壓氣機(jī)可看成是很多基

3、元級(jí)相疊加而成。所以空氣在基元級(jí)中的流動(dòng)可看成壓氣機(jī)工作的縮影。把所得到的基元級(jí)切片在平面上展開(kāi)，就得到平面葉柵圖形。目前大多數(shù)航空燃?xì)廨啓C(jī)都采用軸流式壓氣機(jī)，只有小功率、小流量的渦軸和渦漿發(fā)動(dòng)機(jī)上才采用離心式壓氣機(jī)。在20世紀(jì)40年代末和50年代初、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)也曾采用離心式壓氣機(jī)。離心式壓氣機(jī)由導(dǎo)流器, 葉輪, 擴(kuò)壓器, 導(dǎo)氣管等部分組成，葉輪和擴(kuò)壓器是其中兩個(gè)主要部件。導(dǎo)流器：安裝在葉輪的進(jìn)口處，其通道是收斂形的 使氣流以一定方向均勻進(jìn)入工作葉輪, 以減小流動(dòng)損失，空氣在流過(guò)它時(shí)速度增大,而壓力和溫度下降。葉輪：是高速旋轉(zhuǎn)的部件，葉輪上葉片

4、間的通道是擴(kuò)張形的，空氣在流過(guò)它時(shí), 對(duì)空氣作功, 加速空氣的流速, 同時(shí)提高空氣的壓力。擴(kuò)壓器：位于葉輪的出口處，其通道是擴(kuò)張形的，空氣在流過(guò)它時(shí)將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫ξ荒埽?#160;速度下降, 壓力和溫度都上升 。導(dǎo)氣管 ：使氣流變?yōu)檩S向, 將空氣引入燃燒室 。離心式壓氣機(jī)屬于葉片機(jī)械，其工作原理是以高速氣流與工作葉輪和固定葉片的相互動(dòng)力作用為基礎(chǔ)，與容積式壓氣機(jī)相比離心式壓氣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：消耗同樣的功率時(shí)， 比容積式壓氣機(jī)的效率高，并能得到較高的增壓壓力，一般能達(dá)到0.1470.196MPa以上；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，重量

5、輕，金屬消耗量少。目前離心式壓氣機(jī)在內(nèi)燃機(jī)增壓方面獲得廣泛的應(yīng)用。離心式壓氣機(jī)的缺點(diǎn)是隨著轉(zhuǎn)速的降低，增壓壓力便急劇下降。 空氣經(jīng)濾清器進(jìn)入氣道，進(jìn)氣道的斷面沿氣流方向逐漸縮小，以便提高氣流的穩(wěn)定性。進(jìn)氣道一定要能保證在流動(dòng)損失為最小的情況下，把空氣均勻地導(dǎo)向工作輪。工作輪裝裝花鏈軸上，尺寸小的可安裝在光軸上。工作輪可由曲軸通過(guò)機(jī)械驅(qū)動(dòng)，也可直接由渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)?？諝庋剡M(jìn)氣道進(jìn)入工作輪隨工作輪一起旋轉(zhuǎn)，受到離心力的作用沿著工作輪上葉片所構(gòu)成的通道流動(dòng)，使空氣受到壓縮，這時(shí)壓力從P1增加到P2，氣流速度從c1增加到c2，驅(qū)動(dòng)工作輪的機(jī)械功轉(zhuǎn)化為空氣在工作輪中獲得的動(dòng)能，和以壓力形式表現(xiàn)的勢(shì)能。工作輪

6、出口處的功能一般為氣流總能量的一半，因此，在工作輪后裝有擴(kuò)壓器，使其轉(zhuǎn)換為壓力能。當(dāng)氣流在擴(kuò)壓器中流動(dòng)時(shí)，由于流通面不斷擴(kuò)大，氣流的速度從c2下降到c3，壓力從P2升高到P3。此時(shí)產(chǎn)生的損失是壓氣機(jī)損失中的主要部分。吁片式擴(kuò)壓器的損失比無(wú)葉片式擴(kuò)壓器的損失為小。 自擴(kuò)壓器周圍出來(lái)的空氣進(jìn)入蝸形管，從此進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管，根據(jù)增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)上的配置位置不同，蝸形管可以有一個(gè)或數(shù)個(gè)出口管。 工作輪是壓氣機(jī)的主要零件，在工作中使空氣受到壓縮并獲得動(dòng)能。工作輪一般用鋁臺(tái)金制造，以大大減少作用在工作輪上的離心力。在現(xiàn)代增壓器中，離心力可達(dá)很高的數(shù)值，有時(shí)可能比零件的重量大5萬(wàn)到10萬(wàn)倍。 工作輪可制成半

7、開(kāi)式或閉式的，將徑向葉片和輪盤(pán)制成一體。半開(kāi)式工作輪的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，工藝性好，當(dāng)空氣流經(jīng)葉片間的溝槽時(shí)，流動(dòng)損失變化平緩。閉式工作輪還具有前封閉蓋，特點(diǎn)是可大大降低流動(dòng)損失和空氣與殼體的摩擦損失，但工藝復(fù)雜。由于工作輪背后b處的空氣壓力比工作輪前面的壓力高，為了減少由于壓差造成的 使輪盤(pán)向左移動(dòng)的軸向推力，在工作輪毀上鉆有平衡aa如下圖，以使工作輪前后的壓力得到平衡。工作輪進(jìn)口處的葉片順著工作輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向扭轉(zhuǎn)一定角度，通常稱為導(dǎo)向器，其作用是使空氣進(jìn)入工作輪時(shí)不發(fā)生沖擊現(xiàn)象。導(dǎo)向器與工作輪制成一體，導(dǎo)向器也可單獨(dú)制造與工作輪裝在一起。閉式工作輪與半開(kāi)式工作輪不同之處是具有前封閉蓋，其特點(diǎn)是可以大

8、大降低空氣流經(jīng)相鄰葉片溝槽時(shí)的損失和空氣與完體的摩擦損失，這種工作輪適宜于耗氣量大、增壓比高的發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)，增壓比愈高、耗氣量愈大，封閉式工作輪的優(yōu)點(diǎn)就愈突出。但這種工作輪又重又大，制造難度比半開(kāi)式工作輪高。壓氣機(jī)性能的主要參數(shù)是：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)壓氣機(jī)提供給內(nèi)燃機(jī)的空氣量，稱為流量，并有兩種表示方法。容積流量為單位時(shí)間內(nèi)所提供的空氣客積V(m3/h或m3/min)，重量流量為單位時(shí)間內(nèi)所提供的空氣重量Gk(kg/s)。另一個(gè)參數(shù)是增壓比或壓力升高比，為壓氣機(jī)出口空氣壓力pk與進(jìn)口空氣壓力p0之比，表示為=pk/p0。導(dǎo)流葉片的葉型與機(jī)翼的翼型相似，其前緣的分向沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸向，后緣沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向彎曲，

9、葉片間的通道略成收劍形?？諝庖运俣菴，沿軸向進(jìn)入導(dǎo)流環(huán)，在導(dǎo)流環(huán)內(nèi)，流速稍有增大。流出導(dǎo)流環(huán)時(shí)，氣流順葉片彎曲的方向偏轉(zhuǎn)，速度變?yōu)镃(1)。氣流在導(dǎo)流環(huán)中發(fā)生的沿葉輪旋轉(zhuǎn)面的偏斜作用叫做預(yù)旋，相應(yīng)的氣流切向分速C(1)u叫做預(yù)旋量。相對(duì)于以圓周速度u運(yùn)動(dòng)的葉輪來(lái)說(shuō)，氣流流進(jìn)葉輪的相對(duì)速度W(1)等于氣流絕對(duì)速度C(1)與牽連速度即葉輪圓周速度u的矢量差，它與葉輪旋轉(zhuǎn)面所成的夾角為(1)。氣流流過(guò)彎曲形的葉輪葉柵通道時(shí)，流動(dòng)方向逐漸改變，最后順著彎曲的葉片通道，以相對(duì)速度W（2）自葉輪流出。由于葉輪通道呈擴(kuò)散形，所以葉輪出口氣流相對(duì)速度較葉輪進(jìn)口氣流相對(duì)速度小，且出口氣流相對(duì)速度與葉輪旋轉(zhuǎn)面所成

10、的夾角為(2)，要大進(jìn)口相應(yīng)夾角(1)。葉輪出口氣流的絕對(duì)速度C（2）為氣流相對(duì)速度W（2）與圓周速度u的矢量和。在這里我們可以看出，葉輪進(jìn)口氣流絕對(duì)速度在沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向有一速度分量，就是經(jīng)導(dǎo)流葉片預(yù)旋作用后產(chǎn)生的預(yù)旋量C(1)u。有了此預(yù)旋量一方面可以在不增加葉輪進(jìn)口氣流相對(duì)速度情形下，通過(guò)提高葉輪圓周速度來(lái)提高葉輪功，增強(qiáng)葉輪增壓能力；另一方面如果沒(méi)有增加葉輪圓周速度，則將使葉輪進(jìn)口相對(duì)速度W(1)減少，方向變平，從而減小氣流進(jìn)入葉輪時(shí)的損失。 氣流以絕地速度C(2)流進(jìn)整流環(huán)，然后順著彎曲的通道向后流動(dòng)。因整流環(huán)通道形狀呈擴(kuò)散性，所以氣流在整流環(huán)中絕對(duì)速度將減小。最終流出整流環(huán)的氣流速度C(2)略等于葉輪進(jìn)口氣流絕對(duì)速度C