8-相似理論解析

1、多級軸流壓氣機的氣動計算：已知數據：空氣流量G、壓比、大氣參數P、T1、選定進口參數輪轂比、進口軸向速度、圓周速度、進口相對馬赫數2、計算進口氣流參數3、計算進口結構參數4、計算出口氣流參數選取基元級等熵效率、基元級反動度5、計算出口結構參數6、各級的結構參數和氣流參數計算葉輪機械原理第八章 壓氣機實驗和特性總結：1、應用經驗參數、壓氣機氣流運動理論及各種設計方法可以進行壓氣機設計；2、理論設計方法不夠成熟；3、非設計工況點工作性能無法計算，準確可靠的壓氣機特性必須用實驗方法作出葉輪機械原理第八章 壓氣機實驗和特性葉輪機械原理 葉片機械相似理論n相似理論的作用：n1、如何進行模型實驗或設計試驗

2、模型n2、如何把模型試驗結果換算到原型機n3、使一定進口條件下得到的特性線能夠應用到不同的環(huán)境應用條件葉輪機械原理 葉片機械相似理論二、相似條件：1、幾何相似：流動空間相似2、時間相似：兩個流動中參數對時間的變化過程相似3、運動相似流線幾何相似4、動力相似作用于流體質點的同名力成比例5、熱力相似流動過程中能量轉變過程和熱量傳遞過程相似。6、物性相似葉輪機械原理 葉片機械相似理論葉輪機械原理 葉片機械相似理論n相似準則：n1、由方程無量綱化得到的無量綱常數；n2、由方程無量綱常數組合構成*0 01010DVDtlDVV tDt葉輪機械原理 葉片機械相似理論n無量綱相似準則數：n1、斯特勞哈爾數n

3、2、弗洛德數n3、雷諾數n4、歐拉數n5、馬赫數n6、比熱比n7、普朗特數相似準則： 考慮原型與模型幾何尺寸大小，壓氣機特性關系可寫成：葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況),(),(*1*11*1*11*DGnTpfDGnTpfkk 以n，G為因變量p、T、D為獨立變量，應用量綱分析得到無量綱參數。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況32*11*1232*11*11)()()()(mpppmmmDTpnDTpG葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況解得：m1=1,m2=-0.5,m3=2 p1=0,p2=0.5,p3=-1 所以：*122*1*11TnDDpTG 上述兩

4、無量綱數相等等價于軸向及周向馬赫數相等。因此，對于壓氣機保證進口馬赫數相等可同時保證動力相似與運動相似。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況n實驗中：n縮型實驗n節(jié)流法n設計中：n縮放尺寸適用新機種n加級n通用特性線 壓氣機工作參數 通常壓氣機工作狀態(tài)由以下四個獨立參數決定：1、空氣流量G；2、壓氣機轉速n；3、壓氣機進口壓力P*；4、壓氣機進口溫度T*。 葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況壓氣機性能參數表征壓氣機性能的參數為：1、壓比2、效率 因此，壓氣機特性就是指壓氣機的性能參數與壓氣機工作參數之間的關系即：葉輪機械原理第八章

5、壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況*k*s),(),(*1*12*1*11*TpnGfTpnGfsk8.1單級軸流壓氣機特性線壓氣機特性線：進口溫度、壓力一定情況下壓氣機壓比、效率隨轉速及流量變化關系曲線。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況一、單級軸流壓氣機特性線變化規(guī)律 ：（1）隨著流量減少，壓比起初升高，然后下降，每條等轉速線都有最高壓比點和最高效率點。（2）當空氣流量減少到一定數值時，壓氣機工作進入不穩(wěn)定工況區(qū)，每條等轉速線都有產生喘振的最小流量，連接各喘振流量點得到不穩(wěn)定工作線（喘振邊界線）。（3）隨轉速升高流量特性線變得陡直。（4）一定轉速下容積流量增加到某一數值時，壓比、效率皆急劇

6、下降。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況 二、單級壓氣機特性分析葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況流量變化時速度三角形變化規(guī)律1、偏離設計工況點流量增大形成負攻角，理論功減少；2、偏離設計工況點流量減少形成正攻角，理論功增加（在一定范圍內）；3、摩擦損失隨流量增加單調增大，撞擊與分離損失取決于偏離設計工況點程度，因此在每條等轉速線上存在效率最高點。4、高轉速下特性線陡峭，原因在于高轉速情況下容易發(fā)生“阻塞”現象。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況8.2多級軸流壓氣機特性線特點：

7、一、多級軸流壓氣機特性特點1、多級軸流壓氣機在非設計工況下級間不協(xié)調。2、多級軸流壓氣機工況偏離在各級中逐漸放大。二、壓氣機進口總溫、總壓對特性線的影響：1、總溫不變總壓改變情況下各特征截面壓比成比例變化，特性線形狀保持不變。（注：流量發(fā)生變化）*2、總壓保持不變進口總溫上升壓比減小，反之上升。（注：輪周功不變）3、輪周功改變情況下特性曲線也要發(fā)生改變。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況某型發(fā)動機九級軸流壓氣機特性圖葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))壓氣機通用特性線8.4壓氣機非穩(wěn)定工況

8、與進口流場畸變一、非穩(wěn)定工況： 在壓氣機特性圖上，有一條不穩(wěn)定工作邊界，不穩(wěn)定工作邊界也被稱為喘振邊界或者失速極限邊界線。壓氣機是不允許在不穩(wěn)定工作邊界的左方工作的，它會導致壓氣機性能急劇惡化并造成壓氣機葉片振動斷裂等嚴重故障。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))二、壓氣機非穩(wěn)定工況的分類 壓氣機非穩(wěn)定工況可以分成兩大類。 第一類：屬于氣動彈性現象，這時，葉片的振動屬于自激振動，這種現象被稱之為顫振。 第二類：是單純氣動現象，它也會激發(fā)葉片的振動，但這種葉片振動性質屬于他激振動。 第二類非穩(wěn)定工況又分為兩種： 一是旋轉失速或稱旋轉分離；另一種是喘振現象。兩者既有差

9、異又有聯系。非穩(wěn)定工況經常以旋轉失速出現，進一步可能發(fā)展至喘振。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))三、旋轉失速： 1、定義： 當轉速一定而空氣流量減少時，就會引起轉子動葉攻角的增加。空氣流量減少到一定程度就能觀察到不穩(wěn)定流動，同時壓氣機發(fā)出特殊叫聲，振動也增大。在動葉后測得的流場表明，有一個或多個低速氣流區(qū)以某一轉速沿動葉旋轉方向轉動，這種非穩(wěn)定工況被稱之為旋轉失速。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))2、產生的機理分析葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))（1）、當壓氣機空氣流量減少而使動葉攻角增大到臨

10、界攻角附近時，動葉排中的某幾個葉片可能首先發(fā)生分離，于是，在這些出現分離區(qū)的葉片前面出現了明顯的氣流堵塞現象。（2）、這個受阻滯的氣流區(qū)使周圍的流動發(fā)生偏轉，從而引起左面葉片（圖中3號葉片）攻角增大并分離。與此同時，右面葉片（圖中1號葉片）的攻角減小并解除分離，因而分離區(qū)相對于葉片排向左傳播，即按圖中的葉片序號由小向大地傳播。（3）如果站在動葉上看，失速就朝著葉片旋轉方向相反的方向移動，如圖所示。由實驗測定，這種移動速度比圓周速度u要小，因而站在絕對坐標系上觀察時，旋轉失速區(qū)以比壓氣機轉速為低的速度，和壓氣機旋轉方向相同作旋轉運動，故稱為旋轉失速。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(

11、壓氣機的特性與調節(jié))3、分類：旋轉失速區(qū)可以分成兩種： （1）平穩(wěn)型旋轉失速（或稱漸進型旋轉失速） ： 其特征是隨著流量的下降，壓氣機的性能是逐漸地但卻是連續(xù)地下降。 平穩(wěn)型旋轉失速往往發(fā)生在輪轂比較小的級，如多級壓氣機前面的一些級。旋轉失速往往是在一兩個葉片的葉尖處先產生，而后向周向、徑向發(fā)展。由于葉片較長，所以旋轉失速還不至于“充滿”整個環(huán)形面積或擴展至整個葉高。所以，反映在特性線上還是連續(xù)變化的。平穩(wěn)的旋轉失速可以有多個失速區(qū)同時存在。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))（2）突躍式旋轉失速： 其特征是隨著流量下降到一定程度時，壓氣機性能會出現突然的下降。

12、突躍式旋轉失速往往產生在輪轂比比較大的級，如多級壓氣機的后面級，在那里葉片短，旋轉失速一旦產生就可能波及整個葉高，在周向擴展也大，所以就會影響整個葉片環(huán)的正常工作，從而使壓氣機性能突然降低。突躍式旋轉失速往往只有一個失速區(qū)。 至于壓氣機的中間級，輪轂比中等，可以產生平穩(wěn)的旋轉失速而后隨著流量下降就可能產生突躍式的旋轉失速。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))4、旋轉失速的特征：（1）旋轉失速時，氣流脈動是沿壓氣機周向變化和傳播的；（2）平穩(wěn)型旋轉失速時，流過壓氣機的流量基本不變，突躍式旋轉失速時氣流

13、參數會發(fā)生突然的下降；（3）旋轉失速的流場是非軸對稱的；（4）旋轉失速時，其氣流脈動頻率和脈動振幅和流路容積特性無關，主要取決于壓氣機的工況（軸向速度和轉速），同時還和葉片排幾何參數有關；（5）旋轉失速時，振動頻率較高。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))5、旋轉失速對壓氣機正常運行的嚴重影響表現形式：（1）使壓氣機的氣動性能明顯惡化。（2）突躍式的旋轉失速還會使壓氣機因性能急劇惡化而無法工作；（3）旋轉失速出現會產生頻率較高、強度大而危險的激振力，并可能導致葉片共振斷裂。統(tǒng)計表明，旋轉失速是使壓氣機葉片疲勞斷裂的主要原因之一。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非

14、穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))四、喘振1、定義： 壓氣機喘振是氣流沿壓氣機軸線方向發(fā)生的低頻率（通常只有幾赫或十幾赫）、高振幅（強烈的壓強和流量波動）的氣流振蕩現象。這種低頻率高振幅的氣流振蕩是一種很大的激振力來源，它會導致發(fā)動機機件（首先是壓氣機）的強烈機械振動和熱端超溫，并在極短時間內造機件的嚴重損壞，所以，在任何工作狀態(tài)下都不允許壓氣機進入喘振區(qū)工作。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))2、表現形式：壓氣機喘振時的現象可以表述如下：（1）音調低而沉悶；（2）非常強烈的機械振動；（3）壓氣機出口總壓和流量大幅度的波動；（4）轉速不穩(wěn)定；（5）功率或推力突然下降

15、并大幅度波動；（6）有時還出現發(fā)動機熄火；（7）有時在發(fā)動機進口處有明顯的氣流吞吐現象包括燃燒室內的高溫高壓燃氣倒流“吐火”現象；（8）有時則伴隨有放炮聲等。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))3、產生的機理： 雖然旋轉分離和喘振是兩種表現不同的現象，但是，它們產生的原因都是由于壓氣機葉片的葉背出現了氣流分離和分離擴展，而且在這兩種不穩(wěn)定工作的發(fā)展過程中有著密切的聯系。甚至有人認為旋轉分離是喘振的前奏和重要起因。下面對喘振物理過程進行簡單描述和解釋。 發(fā)生喘振的原因是在壓氣機葉片的葉背上出現了氣流分離而且這種分離嚴重擴展至整個葉柵通道。 可以概括為：流動、分離、倒

16、流（或中斷），然后再流動、再分離、再倒流（或再中斷）的周期性氣流振蕩。 葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))（1）、關小節(jié)氣門，流量下降，氣流攻角增加，當流量減少到一定程度時，流入動葉的氣流攻角大于設計攻角，于是動葉葉背出現氣流分離，流量下降越多，分離區(qū)擴展越大。（2）當流量下降到這樣的程度，即，分離區(qū)擴延至整個壓氣機葉柵通道，則壓氣機葉柵完全失去擴壓能力，這時，動葉再也沒有能力把氣流壓向后方，克服后面較高的反壓氣體，于是，流量急劇下降，（3）不僅如此，由于動葉葉柵失去擴壓能力，后面高壓氣體還可能通過分離的葉柵通道倒流至壓氣機的前方（這就是壓氣機喘振時，向前方吐氣

17、流或“吐火”的現象）.葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))（4）由于壓氣機后面的高壓氣流倒流至前方（或由于葉柵通道堵塞，氣流瞬時中斷，壓氣機后渦輪部件繼續(xù)向后抽氣的結果），壓氣機后面的反壓降得很低，整個壓氣機流路在這一瞬間就變得“很通暢”，而且由于壓氣機仍保持原來的轉速在旋轉，于是瞬時大量氣流被重新吸入壓氣機，壓氣機恢復“正?！绷鲃雍凸ぷ鳎魅雱尤~的氣流由負攻角很快增加到設計值，壓氣機后面也建立起了高壓強的氣流，這是喘振過程中氣流重新吸入狀態(tài)。（5）然而，由于發(fā)生喘振的流路條件仍然沒有改變（即排氣門位置仍在關小位置上，或發(fā)動機共同工作線進入了不穩(wěn)定邊界），因而，隨

18、著壓氣機后面反壓的不斷升高，壓氣機流量又開始減小，直到分離區(qū)擴延至整個葉柵通道，葉柵再次失去擴壓能力，壓氣機后面的高壓氣體再次向前倒流（或瞬時中斷）如此周而復始地進行下去，這一過程就是喘振的物理過程?？梢愿爬椋毫鲃?、分離、倒流（或中斷），然后再流動、再分離、再倒流（或再中斷）的周期性氣流振蕩。葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))n喘振裕度的定義：非設計工況1：葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))額定轉速壓比低于設計值 后面級流量系數加速增加容易引起阻塞非設計工況2：葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況(壓氣機的特性與調節(jié))額定轉速壓比高于于設計值 前面級流量減少，壓比升高，后面級流量系數加速減小容易引起阻塞非設計工況3：葉輪機械原理第八章 壓氣機非設計和非穩(wěn)定工況