葉輪機(jī)械原理

葉輪機(jī)械原理流體機(jī)械系二零零六年三月2021/5/91第一章緒論

本課程的學(xué)習(xí)作業(yè)（40％）、考試（60％）教材：

1）航空燃?xì)廨啓C(jī)原理（上）彭澤琰、劉剛編著國防工業(yè)出版社2000年2）葉輪機(jī)械原理（講義）流體機(jī)械系編2006年2021/5/92第一章緒論

主要參考書：

1）船用燃?xì)廨啓C(jī)軸流式葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)（原理、設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究），李根深、陳乃興、強(qiáng)國芳，國防工業(yè)出版社，1980年2）葉輪機(jī)械原理舒士甄、朱力、柯玄齡、蔣滋康，清華大學(xué)出版社，1991年3）CumpstyN.A.,Compressoraerodynamics,LongmanScientific&Technical,1989.2021/5/93第一章緒論

4）離心式壓縮機(jī)原理徐忠，機(jī)械工業(yè)出版社，1990

5）軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)，秦鵬譯，NASA-SP-36，19656）泵與風(fēng)機(jī)（第二版），郭立均，中國電力出版社，1997年

7）葉輪機(jī)械--原理與結(jié)構(gòu)，鮑爾，W.，1984年6月第1版

2021/5/94第一章緒論

一、葉輪機(jī)的廣泛應(yīng)用風(fēng)車、水車、電風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、汽輪機(jī)、水輪機(jī)、水泵、螺旋槳（飛機(jī)、輪船）、航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪……2021/5/952021/5/962021/5/972021/5/982021/5/992021/5/9102021/5/9112021/5/9122021/5/9132021/5/9142021/5/9152021/5/916UDFonBoeing727testbed2021/5/917GP7200fortheAirbusA380T.O.Thrust70,000lbBypassratio8.7to1FanDiameter116in(295cm)2021/5/9182021/5/919第一章緒論二、葉輪機(jī)的定義與分類各式各樣的葉輪機(jī)存在一個(gè)共同的特點(diǎn)——葉片圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在葉片的旋轉(zhuǎn)過程中完成了葉片機(jī)與工質(zhì)（流體：氣、液、二者混合物）之間的能量交換；根據(jù)葉輪機(jī)與流體之間能量交換的方向，葉輪機(jī)分為兩大類型。2021/5/920第一章緒論一種類型葉輪機(jī)的作用是將流體的機(jī)械能和熱能轉(zhuǎn)換為對(duì)外界輸出的機(jī)械功，這種葉輪機(jī)有：水輪機(jī)、汽輪機(jī)、渦輪等；另一種類型葉輪機(jī)的作用是將外界輸入的機(jī)械功轉(zhuǎn)換為流體的機(jī)械能（動(dòng)能和壓力勢能）和熱能，這種葉輪機(jī)有：鼓風(fēng)機(jī)、水泵、螺旋槳、風(fēng)扇、壓氣機(jī)等。2021/5/921第一章緒論三、葉輪機(jī)的主要形式

根據(jù)工質(zhì)的流動(dòng)形式，葉輪機(jī)分為軸流式、徑流式和斜流式三種形式，上述三種形式中的任意兩種的組合則稱為混合式葉輪機(jī)。

2021/5/922第一章緒論（一）軸流式軸流式壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子2021/5/923軸流式渦輪轉(zhuǎn)子第一章緒論2021/5/924第一章緒論軸流泵軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)子2021/5/925（二）徑流式離心式壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子第一章緒論2021/5/926第一章緒論圖1.9DA120－61離心式壓縮機(jī)縱剖面構(gòu)造圖1、吸氣室；2、葉輪；3、擴(kuò)壓器；4、彎道；5、回流器；6、蝸室；7、8、軸端密封；9、隔板密封；10、輪蓋密封；11、平衡盤；12、推力盤；13、聯(lián)軸器；14、卡環(huán)；15、主軸；16、機(jī)殼；17、支持軸承；18、止推軸承；19、隔板；20、回流器導(dǎo)流葉片；21、中間冷卻吸氣管；22、出氣管2021/5/927第一章緒論離心式水泵2021/5/928向心式渦輪第一章緒論2021/5/929第一章緒論（三）斜流式斜流式壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子2021/5/930混合式壓氣機(jī)第一章緒論2021/5/931第一章緒論2021/5/932第一章緒論渦輪增壓器2021/5/933第一章緒論2021/5/934第一章緒論四、氣流在壓氣機(jī)和渦輪中的流動(dòng)特點(diǎn)氣流在壓氣機(jī)中是從壓力低的地方流向壓力高的地方，沿流向是逆壓梯度；壓氣機(jī)一級(jí)的增壓能力相對(duì)較小，壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)多；2021/5/935第一章緒論

氣流在渦輪中是從壓力高的地方流向壓力低的地方，沿流向是順壓梯度；渦輪一級(jí)的作功能力相對(duì)較大，渦輪的級(jí)數(shù)少；2021/5/936第一章緒論

多級(jí)壓氣機(jī)存在一個(gè)非常重要的問題——級(jí)與級(jí)之間的匹配問題2021/5/937第一章緒論五、葉輪機(jī)研究的意義葉輪機(jī)與能源的消耗和能源的利用密切相關(guān)；研制各種類型的高效率、低消耗的葉輪機(jī)，可為建設(shè)節(jié)約型社會(huì)做出重要貢獻(xiàn)。2021/5/938第一章緒論六、航空葉片機(jī)的發(fā)展概況航空葉片機(jī)發(fā)展到目前的水平，最主要的進(jìn)步是在最近幾十年取得的。人類實(shí)現(xiàn)動(dòng)力飛行夢想已100年，前四十年使用的是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。2021/5/939

1903年12月17日，美國萊特兄弟把活塞發(fā)動(dòng)機(jī)用于飛行者1號(hào)上，完成了世界上首次載人動(dòng)力飛行。第一章緒論

“飛行者”1號(hào)采用的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)2021/5/940第一章緒論

1930年，英國人弗蘭克·惠特爾獲得了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)專利，這是第一個(gè)具有實(shí)用性的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。但第一架噴氣飛機(jī)（He-178）卻出現(xiàn)在德國，于1939年8月27日首飛。2021/5/941TheSecondJetFlight-Aug.27,1940Caproni-CampiniCC-22021/5/942BritishGlosterE.28/39/WhittleW-1XjetengineTheThirdJetFlight-May15,19412021/5/943第一章緒論

早期的航空葉片機(jī)（壓氣機(jī)、渦輪）的設(shè)計(jì)主要是依靠實(shí)驗(yàn)研究的手段。20世紀(jì)五十年代，中國旅美學(xué)者吳仲華先生提出兩個(gè)流面（S1和S2

）的理論，葉片機(jī)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算研究開始取得突破性進(jìn)展。2021/5/944第一章緒論S1和S2流面2021/5/945S1流面第一章緒論2021/5/946S2流面第一章緒論2021/5/947第一章緒論20世紀(jì)60年代Novak等人發(fā)展出了S2流面上的流線曲率法（流線迭代法）。流線曲率法將三維空間問題化簡為S2流面上的準(zhǔn)三維問題。補(bǔ)充兩個(gè)模型方程（經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式）：流動(dòng)損失模型和落后角模型2021/5/948第一章緒論20世紀(jì)90年代以后，計(jì)算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics,CFD）在葉輪機(jī)設(shè)計(jì)中所起的作用越來越大。

IHPTET計(jì)劃（1988年～2003年）（IntegratedHighPerformanceTurbineEngineTechnology,

綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)）2021/5/949第一章緒論

IHPTET計(jì)劃要用15年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)過去40

年所取得的進(jìn)步推重比翻一倍，達(dá)到15～20，

SFC下降40％～50％。（SpecificFuelConsumption，單位燃油消耗率）2021/5/950GE90circa199644:1systempressureratioFanBoosterHP(core)compressorComparisonofCJ805andGE90CompressorSystemsCJ805circa196012.5:1pressureratio2021/5/951第一章緒論七、葉輪機(jī)械內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)

葉輪機(jī)通常由多級(jí)組成，而每一級(jí)中又分成轉(zhuǎn)子部分（動(dòng)葉和輪轂）和靜子部分（靜葉和機(jī)匣）；早期的壓氣機(jī)葉型源于飛機(jī)翼型。迄今，葉輪機(jī)內(nèi)流動(dòng)的研究思路仍然可以追溯到在機(jī)翼上首先研究成功的成果。2021/5/952第一章緒論2021/5/953葉片繞流比飛機(jī)翼型繞流要復(fù)雜得多，直接沿用翼型繞流的成熟概念往往不能成功，必需考慮葉輪機(jī)械本身的特殊性和復(fù)雜性。葉輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的特殊性：1）葉型不是孤立存在，它受到相鄰葉型的影響；2）葉輪機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，葉片從根到尖的展向流動(dòng)變化非常大；3）葉輪機(jī)通常存在內(nèi)外環(huán)壁邊界。

第一章緒論2021/5/954第一章緒論

葉輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性：

1）流動(dòng)的三維性；

2）流體的可壓縮性；

3）流體的粘性；

4）流動(dòng)的非定常性。2021/5/955第一章