電站燃?xì)廨啓C(jī)軸流式壓氣機(jī)的工作原理與特性

電站燃?xì)廨啓C(jī)軸流式壓氣機(jī)的工作原理與特性軸流式壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能要求結(jié)構(gòu)概述壓氣機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)中的一個(gè)重要部件，它的作用是實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)中的空氣壓縮過程，以求連續(xù)不斷地向燃燒室提供高壓空氣。目前，在燃?xì)廨啓C(jī)中應(yīng)用得較廣的壓氣機(jī)類型有軸流式壓氣機(jī)和離心式壓氣機(jī)兩種，圖3-1和圖3-2中分別給出了這兩種壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)示圖。a)軸流式壓氣機(jī)的通流部分示意b)軸流式壓氣機(jī)的縱剖面1-進(jìn)口收斂器2-進(jìn)口導(dǎo)流器3-工作葉輪4-擴(kuò)壓葉列5-轉(zhuǎn)子6-汽缸(或機(jī)匣)7-出口導(dǎo)流器8-出口擴(kuò)壓器9-端軸圖3-1軸流式壓氣機(jī)的示圖a)工作葉輪的進(jìn)口速度三角形b)雙面進(jìn)氣式離心壓氣機(jī)1-進(jìn)口導(dǎo)流器2-工作葉輪3-擴(kuò)壓器4-機(jī)匣圖3-2離心式壓氣機(jī)的示圖在軸流式壓氣機(jī)中，氣體質(zhì)點(diǎn)大體上是在圓柱形回轉(zhuǎn)面上沿軸線方向流動(dòng)的(參見圖3-1a)。在離心式壓氣機(jī)中，氣體質(zhì)點(diǎn)則主要是沿著工作回轉(zhuǎn)面的離心方向作徑向流動(dòng)(參見圖3-2b)。1-進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉2-葉片(動(dòng)葉)3-靜葉4-氣缸5-工作葉輪(轉(zhuǎn)輪)6-主軸圖3-3軸流式壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)示圖a)舊式葉片a)舊式葉片b)按可控?cái)U(kuò)壓原理設(shè)計(jì)的新葉片1-扭曲式葉身2-葉根圖3-4壓氣機(jī)的動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)由圖3-3可知：安裝在轉(zhuǎn)輪5或整體式轉(zhuǎn)鼓上的轉(zhuǎn)子是由許多葉片(動(dòng)葉)2，與主軸6一起組成的一個(gè)高速回轉(zhuǎn)部件。安裝在轉(zhuǎn)輪上的一圈葉片是一個(gè)葉列，稱為工作葉柵或動(dòng)葉柵。葉柵中的葉片稱為工作葉片或簡(jiǎn)稱為動(dòng)葉。軸流式壓氣機(jī)的葉片是由葉身和葉根兩部分組成的，如圖3-4所示。其中葉身是葉片與空氣流相互作用的部分。通常，葉身的整體形狀是扭曲式的，它的斷面形狀薄而寬，厚度由根部向頸部逐漸減小。葉根則是葉片固定到轉(zhuǎn)輪或轉(zhuǎn)鼓上去的部分。葉根的形狀有縱樹型、燕尾型等多種形式。在燃?xì)廨啓C(jī)中壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子由燃?xì)馔钙綆е黄鹦D(zhuǎn)。壓縮空氣所需要的耗功是由燃?xì)馔钙教峁┑?，并通過壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上的各個(gè)葉片傳遞給空氣流。靜子則是由許多圈葉片3安裝在氣缸上而組成的靜止部件(參見圖3-3)。靜子上的一圈葉片稱為導(dǎo)流器或靜葉柵，組成導(dǎo)流器的葉片稱為導(dǎo)流葉片或簡(jiǎn)稱為靜葉。通常，靜葉斷面形狀的厚度比動(dòng)葉者薄，因?yàn)樗惺艿臋C(jī)械應(yīng)力要比動(dòng)葉小。靜葉的厚度也是從根部向頂部逐漸減小的(當(dāng)然也有等厚度的靜葉)，其扭曲程度也常比動(dòng)葉小。壓氣機(jī)機(jī)匣進(jìn)口處的氣流通道稱為進(jìn)氣道，出口處稱為排氣道。在壓氣機(jī)進(jìn)口端的第一列工作葉柵前，有時(shí)在機(jī)匣(氣缸)上安裝一圈附加的靜葉柵，稱為進(jìn)口導(dǎo)葉柵，現(xiàn)在經(jīng)常把它做成為可以旋轉(zhuǎn)的，借以改變氣流的導(dǎo)流方向。在機(jī)匣(氣缸)出口端的最后一列導(dǎo)流葉柵的后面，有時(shí)也附加一圈靜葉柵，稱為出口整流葉柵，它是把氣流整流導(dǎo)向到軸向流動(dòng)的裝置。在軸流式壓氣機(jī)中動(dòng)葉柵和靜葉柵是沿著軸線方向交替排列的。在每一列動(dòng)葉柵的后面都有一列靜葉柵。由各列葉柵的通道組成的壓氣機(jī)軸向通道就是空氣的流動(dòng)通道，稱為壓氣機(jī)的通流部分。一列動(dòng)葉柵與它下游方向的一列靜葉柵共同組成軸流式壓氣機(jī)的一個(gè)級(jí)。通常，軸流式壓氣機(jī)都是由若干個(gè)級(jí)組合在一起，成為一個(gè)多級(jí)壓氣機(jī)。對(duì)于軸流式壓氣機(jī)來說，一個(gè)級(jí)的增壓比只有1.15~1.35左右，而整臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的總壓比ε*卻要高得多，因而在燃?xì)廨啓C(jī)中軸流式壓氣機(jī)必然是多級(jí)的。對(duì)于離心式壓氣機(jī)來說，在工作葉輪中流動(dòng)的氣體，由于能夠得到離心力的幫助，因而一個(gè)級(jí)的壓比就有可能達(dá)到3~4.5，甚至更加高一些。但是其氣流流動(dòng)的路線卻比較曲折，因此，其壓縮效率要比軸流式壓氣機(jī)的低。當(dāng)然，多級(jí)離心式壓氣機(jī)的效率會(huì)更低一些。通常，軸流式壓氣機(jī)的效率可以達(dá)到87%以上，而離心式壓氣機(jī)效率只有84%~85%左右，甚至在80%以下。在離心式壓氣機(jī)中，由于受材料強(qiáng)度的制約，工作葉輪的尺寸不能做的太大，因而進(jìn)入這種壓氣機(jī)的空氣流量就會(huì)受到限制，即使把工作葉輪設(shè)計(jì)成為雙面進(jìn)氣的型式，如圖3-2b所示，其空氣流量仍然不能做得很大。軸流式壓氣機(jī)的情況則不然，它的空氣流量可以做得很大，而且多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的效率又比較高，因而，在近代大功率的燃?xì)廨啓C(jī)中，幾乎毫無例外地都采用軸流式壓氣機(jī)作為壓縮空氣的基本設(shè)備。通常，離心式壓氣機(jī)只在中小型燃?xì)廨啓C(jī)中有所應(yīng)用。壓氣機(jī)的級(jí)是軸流式壓氣機(jī)中能量交換的基本單位，所以級(jí)的工作原理就成為研究整臺(tái)多級(jí)壓氣機(jī)的理論基礎(chǔ)。對(duì)軸流式壓氣機(jī)的性能要求為了適應(yīng)高效、大功率燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展需要，必須要求軸流式壓氣機(jī)的性能按以下方向發(fā)展，即：增大壓氣機(jī)的空氣流量，它將受限于壓氣機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度和高速氣動(dòng)特性的影響。目前，大功率燃?xì)廨啓C(jī)中，軸流式壓氣機(jī)的空氣流量已經(jīng)做到670kg/s。為了進(jìn)一步增加燃?xì)廨啓C(jī)的單機(jī)容量，壓氣機(jī)的空氣流量尚需進(jìn)一步增大。提高單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)的壓縮比，適應(yīng)高溫、高效率燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的需要。目前，單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)的壓縮比已達(dá)到23-30，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超脫了以往長(zhǎng)期徘徊于12~15之間的局面。為此，必須提高壓氣機(jī)的級(jí)壓縮比，改善級(jí)與級(jí)之間氣流流動(dòng)的匹配特性。改善壓氣機(jī)的效率。如第2章所述，可以用等商壓縮效率η*y來描寫壓氣機(jī)效率之高低。由于軸流壓氣機(jī)一般要消耗燃?xì)馔钙剿l(fā)功率的60%左右，因而改善壓氣機(jī)的效率，以減少燃?xì)廨啓C(jī)中空氣壓縮的自身消耗，是至關(guān)重要的。目前，軸流式壓氣機(jī)的η*y已能做到87%以上。此外，還應(yīng)通過設(shè)計(jì)多級(jí)可調(diào)靜葉的方法，來改善變工況條件下的壓氣機(jī)效率運(yùn)行的穩(wěn)定范圍。改善壓氣機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定范圍，防止產(chǎn)生失速、喘振等不穩(wěn)定的工作現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固耐用，便于制造。軸流式壓氣機(jī)基元級(jí)的工作過程1-動(dòng)葉柵2-1-動(dòng)葉柵2-靜葉柵圖3-5壓氣機(jī)的某一級(jí)半徑為r處的環(huán)形葉柵——基元級(jí)1-動(dòng)葉柵1-動(dòng)葉柵2-靜葉柵圖3-6基元級(jí)展開后形成的平面葉柵基元級(jí)中的速度三角形當(dāng)氣流流過基元級(jí)時(shí)，氣流的速度矢量在各個(gè)不同的空間位置上都將發(fā)生變化。但是為了簡(jiǎn)化討論起見，我們只擬研究氣流的速度在三個(gè)特征面1、2、3上的周向平均值的變化關(guān)系。圖3-6中給出了一個(gè)基元級(jí)在平面上展開而成的平面葉柵。假定由前一級(jí)靜葉柵出口流束的氣流的絕對(duì)速度為c1。由于動(dòng)葉柵以圓周速度u運(yùn)動(dòng)，所以進(jìn)入動(dòng)葉柵的相對(duì)速度w1是c1與u的矢量差。由這三個(gè)速度矢量構(gòu)成的矢量三角形，就是基元級(jí)的進(jìn)口速度三角形。其中c1稱為進(jìn)口氣流的絕對(duì)速度，它與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的圓周速度u方向的夾角為α1；w1是進(jìn)口氣流的相對(duì)速度，它與u方向的夾角為β1。在動(dòng)葉柵的出口可以類似的畫出動(dòng)葉柵的出口速度三角形。那時(shí)，氣流流出動(dòng)葉柵的速度只相對(duì)速度w2，從絕對(duì)坐標(biāo)系觀察，氣流流出動(dòng)葉柵的絕對(duì)速度c2是w2與u的矢量和。顯然，c2也就是氣體流入靜葉柵的絕對(duì)速度，流出靜葉柵的絕對(duì)速度則是c3，它也是流入下一級(jí)動(dòng)葉柵的進(jìn)口絕對(duì)速度。如果回轉(zhuǎn)面不是正圓柱面，即︱u1︱≠︱u2︱，那么，基元級(jí)的速度三角形如圖3-7a所示。當(dāng)回轉(zhuǎn)面為正圓柱面時(shí)，則︱u1︱=︱u2︱=︱u︱。此外，在亞音速范圍內(nèi)，當(dāng)氣流流過基元級(jí)時(shí)，由于軸向分速的變化相對(duì)來說比較小，因此可以近似地認(rèn)為：c1a≈c2a≈c3a≈ca一般設(shè)計(jì)中又常使c3≈c1。所一在正圓柱面基元級(jí)的假設(shè)下，基元級(jí)的速度三角形可以簡(jiǎn)化如圖3-7b所示。a)|u1|≠|(zhì)u2|時(shí)動(dòng)葉柵進(jìn)出口氣流的速度三角形b)|u1|=|u2|時(shí)動(dòng)葉柵進(jìn)出口氣流的速度三角形圖3-7基元級(jí)的氣流速度三角形在圖3-7中，絕對(duì)速度c1在圓周方向上的分速度c1u稱為氣流的預(yù)旋。當(dāng)c1u與u同向時(shí)，c1u稱之為正預(yù)旋，反之則稱為負(fù)預(yù)旋。有正預(yù)旋的氣流可以使動(dòng)葉柵的進(jìn)口馬赫數(shù)Maw1=w1/a(a為當(dāng)?shù)芈曀?保持在亞音速范圍內(nèi)，從而保證葉柵有較高的工作效率。預(yù)旋的大小是由前一級(jí)靜葉柵的出口角來保證的。從圖3-7中還表示出了動(dòng)葉柵的進(jìn)口通流面積A1(進(jìn)口相對(duì)速度w1垂直于A1)和出口通流面積A2(w2與A2相垂直)的變化關(guān)系，即A2>A1。這正意味著沿氣流的流動(dòng)方向，葉柵的通流面積是逐漸增大的。由于當(dāng)氣流通過葉柵時(shí)，氣流的密度變化并不大，因而，氣流在葉柵通道內(nèi)的流動(dòng)可以看成是一個(gè)相當(dāng)與在擴(kuò)壓器內(nèi)的減速增壓的流動(dòng)過程，即︱w2︱<︱w1︱。對(duì)于靜葉柵來說，也是如此，絕對(duì)速度c2在流過葉柵的通道時(shí)，也是一個(gè)減速的增壓過程，即︱c3︱<︱c2︱。此外，當(dāng)氣流通過動(dòng)葉柵時(shí)，相對(duì)速度w2的方向也發(fā)生了變化，即出現(xiàn)了氣流方向的偏轉(zhuǎn)，其折轉(zhuǎn)角為Δβ=β2-β1。Δβ的大小與相對(duì)速度的降低程度成正比，也就是說，葉柵的通流面積擴(kuò)張得越大，相對(duì)速度的下降程度和氣流的增壓程度也越大。因而，從折轉(zhuǎn)角的大小可以判斷和比較葉柵的擴(kuò)張度，即葉柵的增壓能力。對(duì)于靜葉來說也是這樣的?；?jí)中動(dòng)葉柵與氣流之間的作用力及外加的機(jī)械功葉腹與葉背上的壓力分析工作葉片與氣流之間力的作用關(guān)系圖3-8工作葉片與氣流之間葉腹與葉背上的壓力分析工作葉片與氣流之間力的作用關(guān)系圖3-8工作葉片與氣流之間力的作用關(guān)系眾所周知，當(dāng)氣流流過葉柵通道的每個(gè)葉片時(shí)，流體微團(tuán)有向葉腹靠攏的趨勢(shì)，因而葉腹處的壓力要比葉背處的壓力高，如圖3-8a所示，圖中以“+”號(hào)表示正壓力，以“-”號(hào)表示負(fù)壓力。這些力的合成將是一個(gè)如圖3-8b所示的，由氣流施加于葉片的總作用力P，它的方向是從工作葉片的葉腹側(cè)指向于葉片的葉背側(cè)。當(dāng)然，P可以沿軸線方向和圓周方向分解成為軸向分力Pa和周向分力Pu。其中Pu就是工作葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)需要克服的周向力，而軸向分力Pa則將傳至工作葉輪軸上的止推軸承上去。根據(jù)作用力與反作用力的原理，可以知道：與此同時(shí)，葉片將對(duì)氣流作用有一個(gè)大小相等而方向相反的力P′。該力P′同樣可以分解為軸向分力Pa′和周向分力Pu′。其中周向分力Pu′使氣流跟隨工作葉輪作圓周運(yùn)動(dòng)，并接受由工作葉片傳遞給氣流的機(jī)械功。而軸向分力Pa′則推動(dòng)氣體從低壓區(qū)向高壓區(qū)流動(dòng)。在圖3-8b上，我們以虛線劃出一個(gè)由面積abdc和一個(gè)單位長(zhǎng)度的葉高所組成的控制體，對(duì)之引用動(dòng)量定理后，就可以求得分力Pu′和Pa′，即(3-1)(3-2)如前所述，當(dāng)工作葉柵回轉(zhuǎn)面為正圓柱面時(shí)，可以近似地認(rèn)為︱w2a︱=︱w1a︱，因而(3-3)式中——每秒鐘流過工作葉片的氣體質(zhì)量；w1a、w2a——?jiǎng)尤~柵進(jìn)口與出口處相對(duì)速度w1與w2的軸向分速度；w1u、w2u——?jiǎng)尤~柵進(jìn)口與出口處相對(duì)速度w1與w2的周向分速度；t——?jiǎng)尤~柵的一個(gè)間距寬度。顯然，氣流在力P′u的作用下，每秒鐘內(nèi)隨工作葉輪上的動(dòng)葉柵沿圓周方向移動(dòng)了距離u，因此，工作葉輪加給氣流的機(jī)械功為mau(w1u-w2u)。相對(duì)于流經(jīng)動(dòng)葉柵的每kg/s氣體來說，氣體接受的機(jī)械外功為(3-4)式中Δwu標(biāo)志著氣流在圓周方向扭轉(zhuǎn)的量，簡(jiǎn)稱為扭速。從3-7中可以看清：對(duì)于作葉柵的回轉(zhuǎn)面為正圓柱面的情況來說，鑒于顯然因而式(3-4)還能改寫為(3-5)從式中(3-5)中可以看出：動(dòng)葉柵加給氣流的機(jī)械外功之大小取決于兩個(gè)因素，即圓周速度u和氣流的扭速Δwu。要想提高壓氣機(jī)級(jí)的增壓能力，就需要提高基元級(jí)的機(jī)械外功lu，即增大u和Δwu。但是，增大前者會(huì)受到葉輪材料強(qiáng)度的限制，而增大后者會(huì)受到葉柵氣動(dòng)性能的限制。因而在亞音速流動(dòng)的范圍內(nèi)，大幅度地提高基元級(jí)的機(jī)械外功量是有所限制的。從圖3-7b中可以進(jìn)一步看到：當(dāng)引用余弦定律時(shí)，從速度三角形中可以得知即因而式(3-5)可以改寫為(3-6)對(duì)于工作葉柵的回轉(zhuǎn)面為正圓柱面的情況來說，由于u2=u1，因此，上式可簡(jiǎn)單化為(3-7)基元級(jí)中空氣能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系圖3-9中給出了壓氣機(jī)級(jí)中熱力參數(shù)的變化情況。當(dāng)把動(dòng)葉柵與靜葉柵組合在一起作為一個(gè)整體來研究時(shí)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可以看清：外界作用于1kg/s空氣的壓縮外功為(3-8)圖3-9壓氣機(jī)中熱力參數(shù)的變化情況由于在靜葉柵中氣流與外界沒有熱能和機(jī)械功的交換，即h*2=h*3，因而，式(3-8)可以改寫為圖3-9壓氣機(jī)中熱力參數(shù)的變化情況(3-9)從熱力學(xué)中得知：在有摩擦等現(xiàn)象的不可逆流動(dòng)中，由于氣流在動(dòng)葉柵中與外界均無熱能的交換，所以因而式(3-9)可改寫為(3-10)式中:lml——空氣流過動(dòng)葉柵時(shí)，由于不可逆現(xiàn)象的存在，而損耗的機(jī)械能；h1、2、*3——是相應(yīng)截面1、2、3處氣流的滯止焓值。當(dāng)比較式(3-7)和式(3-10)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)(3-11)式中——在動(dòng)葉柵前后空氣的平均密度。關(guān)系式(3-11)告訴我們：在動(dòng)葉柵中氣流相對(duì)速度動(dòng)能減小，可以引起壓力的增高。當(dāng)然，這部分壓力勢(shì)能的獲得不是憑空而來的，由關(guān)系式(3-7)可知，它是外界通過工作葉輪上的動(dòng)葉柵對(duì)空氣所施加的機(jī)械外功(也就是壓縮軸功)ly的一個(gè)組成部分。當(dāng)空氣進(jìn)而流過擴(kuò)壓靜葉柵時(shí)，由于空氣與外界并不發(fā)生熱能和機(jī)械外功的交換，因而在擴(kuò)壓靜葉柵的前后即所以(3-12)同理，由于靜葉柵與外界沒有熱能的交換，因而上式還能改寫為(3-13)式中:lm2——空氣流過擴(kuò)壓靜葉柵時(shí)，由于摩擦等不可逆現(xiàn)象的存在而損耗的機(jī)械能；——在擴(kuò)壓靜葉柵前后空氣的平均密度。由此可見，當(dāng)高速氣流流經(jīng)靜葉柵時(shí)，由于絕對(duì)速度動(dòng)能的降低，將使空氣的壓力進(jìn)一步增高。在可逆的流動(dòng)中，壓力勢(shì)能的增加完全是由于絕對(duì)速度動(dòng)能的減小而轉(zhuǎn)化來的。但是在實(shí)際的流動(dòng)過程中，由于不可避免地總會(huì)有能量損耗lm2，這就使得在靜葉柵后的空氣壓力p3要比按理想的等熵流動(dòng)過程所能增高的數(shù)值略微低一些。通過以上的分析，我們能夠比較清楚地看到，在軸流式壓氣機(jī)的級(jí)中，空氣增壓過程及其原因是：外界通過工作葉輪上的動(dòng)葉柵把一定數(shù)量的壓縮軸功ly傳遞給流經(jīng)動(dòng)葉柵的空氣，一方面使氣流的絕對(duì)速度動(dòng)能增高，同時(shí)讓氣流的相對(duì)速度動(dòng)能降低，以促使空氣的壓力得以增高一部分。隨后，由動(dòng)葉柵流出的高速氣流在擴(kuò)壓靜葉中逐漸減速，這樣，就可以使氣流絕對(duì)速度動(dòng)能中的一部分，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成為空氣的壓力勢(shì)能，使氣體的壓力進(jìn)一步增高。根據(jù)關(guān)系式(3-8)可知：當(dāng)氣流流經(jīng)壓氣機(jī)的級(jí)時(shí)，由于從外界接受了壓縮功ly，增高了空氣的焓，與此同時(shí)，空氣的狀態(tài)參數(shù)p、u、T發(fā)生了變化，她們之間的相互關(guān)系是(3-14)式中:cpa——空氣的比定壓熱容；n——壓氣機(jī)的多變壓縮指數(shù)；R——空氣的氣體常數(shù)；γ——空氣的比熱比，即空氣的比定壓熱容與比定容熱容的比值?；?jí)的反力度從式(3-10)中可知：基元級(jí)外加的機(jī)械功ly中的一部分是在動(dòng)葉柵內(nèi)直接轉(zhuǎn)換成為空氣的壓力勢(shì)能的，而另一部分則是用來提高空氣的動(dòng)能，隨后，這部分動(dòng)能再在靜葉柵內(nèi)繼續(xù)轉(zhuǎn)換成為氣流的壓力勢(shì)能，如式(3-13)所式。由于設(shè)計(jì)條件的不同，外加的機(jī)械功量ly在動(dòng)、靜葉柵中分別轉(zhuǎn)換成為壓力勢(shì)能的比例是可以不一樣的。為了表示出這一比例關(guān)系，通常采用反力度的概念，它是基元級(jí)的基本參數(shù)之一。反力度的定義是：氣流在動(dòng)葉柵內(nèi)的靜焓增量與滯止焓增量之比，即(3-15)實(shí)際上反力度是與基元級(jí)的速度三角形有密切關(guān)系的。因?yàn)楣试诠ぷ魅~柵的回轉(zhuǎn)面為正圓柱面的情況下鑒于故由速度三角形中可知所以(3-16)通常，反力度的變化范圍是：0<Ω<1。圖3-10上給出了幾種典型反力度的基元級(jí)的速度三角形、葉柵及其壓縮過程的焓熵圖。顯然，當(dāng)Ωk=0時(shí)，氣流流經(jīng)動(dòng)葉柵時(shí)，空氣的壓力是不會(huì)升高的。那時(shí)，由外界通過動(dòng)葉柵傳遞給空氣的機(jī)械外功ly，將全部轉(zhuǎn)化成為氣流絕對(duì)速度動(dòng)能的增量，致使p1=p2；而空氣壓力的增升只能在擴(kuò)壓靜葉柵中完成。從葉柵通流面積的角度看，它的特點(diǎn)是：沿著氣流的流動(dòng)方向，動(dòng)葉柵的垂直通流面積是恒定不變的；當(dāng)然，在擴(kuò)壓靜葉柵中通流面積還是要逐漸擴(kuò)大的。a)Ωk=0.5b)Ωk=0.75~0。9c)Ωk=1.0圖3-10幾種典型反力度的基元級(jí)的速度三角形、葉柵及其壓縮過程的焓熵圖當(dāng)Ωk=0.5時(shí)，可以證明c1u=w2u，∣w1∣=∣c2∣，∣w2∣=∣c1∣，即速度三角形是對(duì)稱形的，這正說明動(dòng)葉柵與靜葉柵具有相同的速度擴(kuò)壓、兩列葉柵的負(fù)載是相同的。與其他反力度的情況相比，兩列葉柵進(jìn)口的氣流馬赫數(shù)Mawl和Mac2比較接近，葉柵內(nèi)的流動(dòng)損失都比較小。由圖3-10中還可以看出：一定的反力度對(duì)應(yīng)于一定的速度三角形，也對(duì)應(yīng)于一定的柵通道的形狀。而且Ωk是與氣流的預(yù)旋c1u相互聯(lián)系的。隨著正預(yù)旋的減少，Ω值將增大。當(dāng)Ω繼續(xù)增大時(shí)，所對(duì)應(yīng)的c1u值將由正預(yù)旋過渡到負(fù)預(yù)旋?；?jí)的特性參數(shù)可以用流量、壓縮比、效率和載荷系數(shù)來描寫基元級(jí)的特性?；?jí)的流量流量是指單位時(shí)間內(nèi)流過葉柵通流截面的氣體數(shù)量，通常可以用質(zhì)量流量(kg/s)或體積流量(m3/s)來表示。由質(zhì)量守恒定律可知，壓氣機(jī)在各個(gè)通流截面上的質(zhì)量流量應(yīng)該彼此相等，即式中A=2πrΔr是基元級(jí)的通流截面積。從上式可知，當(dāng)氣體的密度ρ和通流截面積A一定時(shí)，氣流的軸向分速度ca就代表壓氣機(jī)的通流能力。在固定式壓氣機(jī)中ca=80-120m/s；在運(yùn)輸式壓氣機(jī)中ca=140-200m/s。此外，還可以用無因次的流量因子φ來表示級(jí)的相對(duì)流通能力，(3-17)通常，沿著壓氣機(jī)的軸向流程，φ值是變化著的，即使沿著同一個(gè)截面的半徑方向，它也是有所變化的。例如：在葉高的平均半徑處φ=0.5-0.75；在葉頂處φ=0.3-0.7。φ值的變化對(duì)于壓氣機(jī)工況的變化有極大的影響。壓縮比壓縮比是一個(gè)表示空氣通過壓氣機(jī)的級(jí)以后，壓力相對(duì)升高的參數(shù)，通常，它是一個(gè)無因次量，它反映了壓氣機(jī)級(jí)的增壓能力。(3-18)在亞音速的壓氣機(jī)級(jí)中，ε*≈1.15-1.25，通常不會(huì)超過1.35-1.40。效率基元級(jí)中流動(dòng)的空氣是粘性的，所以當(dāng)它通過基元級(jí)時(shí)，總會(huì)有流動(dòng)損失，因此，外界傳遞給空氣的機(jī)械功不能全部轉(zhuǎn)化為有效的能量。效率就是一個(gè)用來表示壓縮過程中能量轉(zhuǎn)換過程完善程度的性能指標(biāo)。目前，描述壓縮過程效率的表達(dá)形式很多，最常見的是等熵壓縮效率ηy*即(3-19)注腳“s”是指等熵壓縮過程終點(diǎn)的空氣狀態(tài)參數(shù)。基元級(jí)的ηy*可以達(dá)到0.88-0.91。載荷系數(shù)ψy工作葉片的載荷系數(shù)ψy又稱為能量頭系數(shù)，它是一個(gè)衡量壓氣機(jī)級(jí)外加機(jī)械功量的特性系數(shù)。我們知道；對(duì)于圓柱面的基元級(jí)來說，加給每kg/s空氣的機(jī)械外功ly=uΔwu。當(dāng)ly=常數(shù)時(shí)，倘若圓周速度較小，那么，就要設(shè)計(jì)氣流周向分速度差(Δwu)較大的級(jí)來滿足加功量的要求，這就會(huì)使葉柵的氣動(dòng)性能惡化，影響效率等性能參數(shù)；倘若圓周速度較大，雖然可以設(shè)計(jì)Δwu較小的級(jí)來滿足加功量的要求，但是動(dòng)葉柵的離心力將加大，會(huì)不利于葉片和葉輪的應(yīng)力狀態(tài)。因而可以引入載荷系數(shù)ψy來權(quán)衡其影響關(guān)系。通常定義(3-20)在現(xiàn)代壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)中，去ψy=0.8-1.2比較合理。超音速基元級(jí)的工作原理圖3-11超音速基元級(jí)按照氣流進(jìn)入葉柵時(shí)的流速是低于音速還是高于音速為界，可以把葉柵區(qū)分為亞音速和超音速兩大類。目前應(yīng)用的超音速基元級(jí)多數(shù)是w1高于當(dāng)?shù)匾羲?，而c2低于當(dāng)?shù)匾羲俚?。?dāng)動(dòng)葉柵進(jìn)口的相對(duì)馬赫數(shù)達(dá)到0.8以上的高亞音速范圍時(shí)，通道內(nèi)開始會(huì)出現(xiàn)超音速區(qū)和激波，這種基元級(jí)稱為跨音速基元級(jí)。通常，在壓氣機(jī)葉片的不同高度處，可能只有葉尖部分是超音速基元級(jí)，而葉片的其他部分則是亞音速基元級(jí)。這是目前有超音速流動(dòng)的壓氣機(jī)級(jí)的主要型式。圖3-11超音速基元級(jí)亞音速和超音速葉柵內(nèi)氣流增壓過程的物理本質(zhì)是有差別的。如前所述，在亞音速基元級(jí)中，氣流是通過擴(kuò)張型的葉柵通道來實(shí)現(xiàn)減速增壓的，而在超音速基元級(jí)中，氣流是通過激波來實(shí)現(xiàn)減速增壓的。圖3-11中給出了超音速基元級(jí)的平面葉柵和速度三角形。圖中動(dòng)葉柵的進(jìn)口是超音速氣流Maw1>1，而出口是亞音速流，Maw2<1。當(dāng)超音速氣流通過葉柵時(shí)，在葉片前會(huì)出現(xiàn)脫體激波ABC，其中AB是近于正激波的通道激波，BC是弱的斜激波。由于氣流在通過激波時(shí)參數(shù)會(huì)發(fā)生突躍，所以在正激波后面的區(qū)域內(nèi)，速度會(huì)下降到亞音速，而靜壓則有顯著的提高，這樣，就在動(dòng)葉柵中達(dá)到了壓縮氣體、增高其壓力的目的。在超音速葉柵中，氣流減速的程度要比在亞音速葉柵中大，從圖3-11所示的速度三角形中可以看出，這會(huì)導(dǎo)致很大的扭速Δwu，這樣，就提高了動(dòng)葉柵的作功能力(使載荷系數(shù)增高)。通常，在亞音速級(jí)中，為了保證較高的效率，葉柵進(jìn)口馬赫數(shù)Maw1和Maw2都不超過臨界值(約0.70-0.75)，相應(yīng)的葉尖處之圓周速度限制在300-380m/s范圍內(nèi)，這時(shí)，級(jí)的增壓比約為1.1-1.3。但在超音速基元級(jí)中，Maw1可以達(dá)到1.2-1.8，葉尖處的圓周速度可以提高到360-460m/s，增壓比可以達(dá)到1.4-2.0，級(jí)效率則與亞音速級(jí)者接近。采用超音速基元級(jí)可以提高級(jí)的增壓能力，使多級(jí)壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)減少，同時(shí)由于氣流的軸向分速度大，可以減小壓氣機(jī)的迎風(fēng)面積，使徑向尺寸得以減小，其總的效果是壓氣機(jī)的尺寸和重量都減小了。因而現(xiàn)代的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，經(jīng)常在壓氣機(jī)的前幾級(jí)中采用跨音速級(jí)。亞音速平面葉柵的幾何參數(shù)與氣動(dòng)參數(shù)如前所述，在壓氣機(jī)中空氣經(jīng)壓縮后表現(xiàn)出來的工作特性，與基元級(jí)中氣流的速度三角形有密切關(guān)系。而氣流的速度三角形則是通過對(duì)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，以及合理地設(shè)計(jì)壓氣機(jī)級(jí)中動(dòng)葉柵和靜葉柵的幾何形狀與尺寸來加以保證的。圖3-12上給出了壓氣機(jī)葉型幾何參數(shù)的表征方法。通常，人們是用以下一些幾何參數(shù)來描寫葉型的幾何特征的，它們是：圖3-12壓氣機(jī)葉型的幾何參數(shù)背弧型線y1=f(x1)和內(nèi)弧型線y2=f(x2)。在葉型的進(jìn)氣側(cè)和出氣側(cè)，則用半徑為r1和r2的圓弧段把背弧與內(nèi)弧的兩端線光滑地連接在一起。中弧線。在中弧線上任一點(diǎn)的法線與葉型內(nèi)弧和外弧所夾的線段都被中弧線等分，他近似地可看做是一條連接葉型中所有內(nèi)切圓圓心的軌跡線。中弧線可以是一條拋物線，或者是一條有兩個(gè)半徑各不相同的圓弧組成的連線。弦長(zhǎng)b。弦線有內(nèi)弦和外弦之分。所謂內(nèi)弦長(zhǎng)是指在中弧線兩側(cè)端點(diǎn)之間連線的長(zhǎng)度。所謂外弦長(zhǎng)是指葉型在內(nèi)弧側(cè)進(jìn)口邊與出口邊公切線上的投影長(zhǎng)度。通常，內(nèi)弦與外弦之間的夾角γ只有幾十分。由于外弦容易測(cè)量，因而經(jīng)常以它作為確定葉柵安裝角γp的依據(jù)，工程實(shí)際上一般只采用外弦，并稱之為弦長(zhǎng)b。型面最大厚度smax和dmax。前者是指與內(nèi)弦(或外弦)相垂直的直線，在葉型背弧和內(nèi)弧之間切割出來的最大距離；后者是指與中弧線相垂直的直線，在葉型背弧和內(nèi)弧之間切割出來的最大距離。葉型的彎曲角θ=χ1+χ2。其中χ1是指中弧線在進(jìn)氣側(cè)的切線與內(nèi)弦(或外弦)之間的夾角；χ2是指弧線在出氣側(cè)的切線與內(nèi)弦(外弦)之間的夾角。前者稱為葉型的入口角，后者稱為葉型的出口角。最大厚度截面與坐標(biāo)點(diǎn)m之間的距離Bs或Bd。中弧線上最大撓度點(diǎn)與內(nèi)弦(或外弦)之間的垂直距離fmax。中弧線上最大撓度點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)m之間的距離Bf。通常，為了便于比較各種葉型，總是把葉型的上述線性尺寸，用弦長(zhǎng)b的相對(duì)值來表示，即：，，，，，，和等。目前，國(guó)內(nèi)外的多數(shù)壓氣機(jī)葉型都是用中心線為直線的所謂原始葉型彎曲而成的。圖3-13中給出了一種國(guó)外應(yīng)用較多的NACA65-010型原始葉型，可供參考。圖3-13NACA65-010型原始葉型圖在設(shè)計(jì)壓氣機(jī)葉型時(shí)，我們只要合理地選擇葉型中弧線的彎曲規(guī)律，以及中弧線兩端的切線與葉型內(nèi)弦(或外弦)之間的夾角χ1和χ2(參見圖3-12)，就可以利用原始葉型繪制出設(shè)計(jì)所需要的壓氣機(jī)葉型。那時(shí)，壓氣機(jī)葉型的中弧線就好比原始葉型的中心線，它把葉型的厚度d等分為二，而中弧線的弧線長(zhǎng)度則與原始葉型的中心線長(zhǎng)度相等。在確定中弧線后，我們可以根據(jù)原始葉型的厚度分布規(guī)律，在中弧線的兩側(cè)分別確定出壓氣機(jī)葉型的背弧和內(nèi)弧的坐標(biāo)點(diǎn)，當(dāng)把這些坐標(biāo)點(diǎn)連成光滑的曲線后，就能獲得設(shè)計(jì)所需要的壓氣機(jī)葉型。當(dāng)葉型已定時(shí)，就可以用許多個(gè)同種葉型，按一定的規(guī)律排列成為壓氣機(jī)的葉柵。圖3-14中給出了壓氣機(jī)的一組平面葉柵示意圖。通常，人們習(xí)慣于用以下一些幾何參數(shù)來表征壓氣機(jī)平面葉柵的特征，即：圖3-14壓氣機(jī)平面葉柵的幾何參數(shù)柵距t：在兩個(gè)相鄰的葉型上，相互同位點(diǎn)之間、沿圓周速度u方向上的距離。相對(duì)柵距=t/b：它表示葉柵中葉型排列的疏密程度，其倒數(shù)s=b/t稱為葉柵的稠度。葉柵寬度Ba：葉柵在軸線方向的尺寸。葉柵的幾何入口角β1j與幾何出口角β2j；它是指中弧線在葉型入口邊和出口邊的切線，與葉柵圓周速度u軸之間的夾角(前者是相對(duì)于u方向而言的夾角，后者是相對(duì)于-u方向而言的夾角)。葉型的安裝角γp：它是指葉型的外弦與葉柵圓周速度u軸之間的夾角。由圖3-12中可以證明在一般情況下，氣流流進(jìn)葉柵時(shí)的進(jìn)氣角β1以及氣流流出葉柵時(shí)的出氣角β2，與葉柵的幾何角β1j和β2j并不一定是重合的，它們之間的差值分別稱為沖角i和落后角δ，即(3-21)(3-22)由于慣性和粘性的作用，氣流的出氣角β2一般總是要比葉型的幾何角出口角β2j小一些，即δ>0。氣流出氣角β2與進(jìn)氣角β1的差值為(3-23)ε稱為氣流在壓氣機(jī)葉柵中的折轉(zhuǎn)角，鑒于所以(3-24)由此可見，氣流在葉柵中的折轉(zhuǎn)角ε并不等于葉型的彎曲角θ。在設(shè)計(jì)葉柵時(shí)，人們總是使β2>β1，這樣才能使氣流流過葉柵時(shí)產(chǎn)生Δwu(參見圖3-7)，從而由外界接受壓縮功，使氣流增壓?，F(xiàn)代壓氣機(jī)葉柵的幾何參數(shù)一般取為當(dāng)然，不難證明(3-25)對(duì)于擴(kuò)壓靜葉柵來說，同樣可以用以上那些幾何參數(shù)，來表示靜葉柵在壓氣機(jī)流道中的具體布置關(guān)系，那時(shí)，只要把葉柵的幾何入口角和幾何出口角的符號(hào)，分別改為α2j和α3j就是了。通常，上述的β1、β2、θ、i、δ、ε等參數(shù)又稱為葉柵的氣動(dòng)參數(shù)。通過對(duì)平面葉柵的吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，人們可以獲得葉型、葉柵幾何參數(shù)、氣流的工況參數(shù)(Re和Ma)對(duì)基元級(jí)性能的影響關(guān)系，以此作為設(shè)計(jì)壓氣機(jī)基元級(jí)的依據(jù)。必須指出：原始葉型以及由原始葉型彎曲并列而成的平面葉柵之幾何參數(shù)，對(duì)于壓氣機(jī)基元級(jí)的性能是有決定性影響的。圖3-15中給出了兩種壓氣機(jī)葉片型線的對(duì)比，以及在這兩種葉片的葉背和葉腹部位氣流速度的分布關(guān)系。前一種葉片是用NACA65型原始葉型彎曲而成的，后一種葉片是根據(jù)所謂的“可控?cái)U(kuò)壓”原理設(shè)計(jì)而成的，它是德國(guó)Siemens公司最新壓氣機(jī)的葉型設(shè)計(jì)。它的設(shè)計(jì)思想是通過葉型的變化，減小流道內(nèi)過高的氣流局部速度，使氣流的減速比較均勻，這樣，可以防止在出氣邊之間的的附面層發(fā)生任何分離現(xiàn)象，借以獲得最佳的壓縮效率。設(shè)計(jì)中還盡量的減小入射角。從圖3-15中可以看到：這兩種葉片的葉背和葉腹部位的速度變化規(guī)律有很大的差異。按這種思想設(shè)計(jì)的葉片已在V84.3A、V94.3A和V64.3A燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的前兩極動(dòng)葉柵中使用，取得較好的效果。圖3-15兩種壓氣機(jī)葉型及其速度分布關(guān)系的對(duì)比軸流式壓氣機(jī)葉片的扭轉(zhuǎn)至今，我們已經(jīng)討論了氣體流過壓氣機(jī)基元級(jí)工作原理。而軸流式壓氣機(jī)的級(jí)，實(shí)際上就是由許多個(gè)基元級(jí)由葉根到葉尖的半徑方向疊加而成的。由于在不同半徑處的基元級(jí)內(nèi)氣流的流速各不相同，因而組成這些基元級(jí)的葉柵之幾何參數(shù)會(huì)有很大差異。為此，需要進(jìn)一步研究不同半徑處基元級(jí)的差別及其相互之間的關(guān)系。為了說明在壓氣機(jī)級(jí)中采用直葉片時(shí)所遇到的問題，讓我們舉圖3-16那樣的示例來進(jìn)行剖析。為了簡(jiǎn)便起見，我們假定流入該級(jí)動(dòng)葉柵的絕對(duì)速度是純軸向(即c1=c1a，c1u=0)的，而且沿葉高方向是完全均勻一致的。圖3-16在直葉片的不同半徑上的速度三角形圖3-16中給出了在直葉片的頂部截面(t-t)、平均半徑處截面(m-m)以及根部截面(h-h)上的速度三角形。由圖可見：由于不同半徑處圓周速度u各不相同，就會(huì)導(dǎo)致三個(gè)基元級(jí)中進(jìn)入葉片的氣流角彼此不等，即：β1t<β1m<β1h。這樣就會(huì)出現(xiàn)這樣一個(gè)問題；究竟應(yīng)該根據(jù)哪一個(gè)氣流角來設(shè)計(jì)葉片的幾何入口角β1j？如果使β1j=β1m，即葉片的β1j角按平均半徑處的速度三角形來制作，那么，由于葉頂處的β1t<β1m，其結(jié)果將在葉背處發(fā)生嚴(yán)重的氣流脫離現(xiàn)象。與此同時(shí)，在葉根處由于β1h>β1m，這將導(dǎo)致葉腹處發(fā)生嚴(yán)重的氣流脫離現(xiàn)象。由此可見，對(duì)于采用直葉片的壓氣機(jī)級(jí)來說，除了靠近平均半徑的地方以外，其他部位都會(huì)發(fā)生氣流的分離現(xiàn)象，這不僅會(huì)惡化壓縮效率，甚至使壓氣機(jī)無法正常工作。為此，就應(yīng)該根據(jù)速度三角形沿葉片高度方向的變化規(guī)律來設(shè)計(jì)壓氣機(jī)級(jí)的葉片，這樣的葉片必然是扭葉片，如圖3-4所示。其中圖b的葉片是根據(jù)“可控?cái)U(kuò)壓”原理設(shè)計(jì)的葉型而制作的，它的扭曲程度要比根據(jù)NACA60型葉型而制作的(如圖a葉片)厲害得多。圖3-17中給出了某臺(tái)20MW燃?xì)廨啓C(jī)采用的壓氣機(jī)中，第一級(jí)動(dòng)葉和擴(kuò)壓靜葉的進(jìn)、出口幾何角沿葉高方向的變化關(guān)系，可供參考。有關(guān)壓氣機(jī)葉片沿葉高方向的扭曲規(guī)律問題，讀者若有興趣，可參考有關(guān)軸流式壓氣機(jī)設(shè)計(jì)方面的書籍。a)第一級(jí)動(dòng)葉b)第二級(jí)靜葉rt-葉片外端的半徑尺寸rh-葉片內(nèi)端的半徑尺寸圖3-17在20MW燃?xì)廨啓C(jī)上采用的壓氣機(jī)中第一級(jí)動(dòng)葉和第二級(jí)靜葉的進(jìn)、出口幾何角沿葉高方向的變化規(guī)律軸流式壓氣機(jī)中的能量損失通常，可以把壓氣機(jī)中的能量損失概括為內(nèi)部損失和外部損失兩大類型來處理。內(nèi)部損失所謂內(nèi)部損失是指那些會(huì)引起壓氣機(jī)中空氣的狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化的能量損失，它們有以下幾種：在壓氣機(jī)通流部分發(fā)生的摩擦阻力損失和渦流損失。它是由型阻損失、端部損失(包括二次流損失)這兩部分組成的。圖3-18中給出了發(fā)生這種損失的示意圖。1-型阻損失2-端部損失（包括二次流損失)圖3-18氣流在葉柵流道中發(fā)生的主要損失徑向間隙的漏氣損失。圖3-19中給出了發(fā)生這種損失現(xiàn)象的示意圖。在一般情況下，徑向間隙的絕對(duì)值取為Δ=0.5-2mm，它與壓氣機(jī)葉片的高度有關(guān)。徑向間隙的存在對(duì)于動(dòng)葉端部的工作情況有很大的影響。由于當(dāng)氣流流過葉型時(shí)，葉型內(nèi)弧側(cè)的壓力會(huì)比背弧側(cè)高，因而在這種壓差的作用下，部分氣流就會(huì)經(jīng)過徑向間隙Δ，由內(nèi)弧側(cè)流向背弧側(cè)(見圖3-19)。鑒于壓氣機(jī)工作葉輪的旋轉(zhuǎn)方向是背弧側(cè)指向內(nèi)弧側(cè)，這將進(jìn)一步強(qiáng)化了在動(dòng)葉頂部徑向間隙中發(fā)生的潛流運(yùn)動(dòng)。圖3-19軸流式壓氣機(jī)徑向間隙中發(fā)生的潛流現(xiàn)象在徑向間隙中出現(xiàn)的潛流流動(dòng)，將會(huì)使動(dòng)葉頂部附近的、介于葉型兩側(cè)的壓力差減小，這就減少了由外界通過工作葉輪傳給這部分氣流的壓縮功。因而徑向間隙中的漏氣損失不僅影響到壓氣機(jī)級(jí)的效率，而且還會(huì)使級(jí)的壓縮比下降。只要徑向間隙足夠小~(，l為葉片的高度)，由于空氣粘性的影響，可以使在徑向間隙中發(fā)生的潛流流動(dòng)減到極小程度，以致對(duì)級(jí)的工作特性不發(fā)生影響。但是當(dāng)間隙加大后，其影響程度就會(huì)劇增。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)級(jí)的反力度Ω=0.7-1.0時(shí)，相對(duì)徑向間隙每增加1%，將使級(jí)的效率下降1%-3%；級(jí)的壓縮比下降4%-6%，因而在設(shè)計(jì)制造壓氣機(jī)時(shí)，應(yīng)盡可能保證不使超過1%。靜葉中在徑向間隙中發(fā)生的潛流流動(dòng)，與在動(dòng)葉流道中發(fā)生的二次流一樣，都會(huì)在主流氣流中生產(chǎn)旋渦，從而導(dǎo)致?lián)p失。圖3-20中比較形象地給出了這種旋渦運(yùn)動(dòng)的示意圖，它可以加深人們對(duì)這種運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)。級(jí)與級(jí)之間內(nèi)氣封的漏氣損失。圖3-21中給出了產(chǎn)生這種漏氣損失的示意圖。當(dāng)級(jí)的反力度Ω=0.8-0.6或者更小時(shí)，由于擴(kuò)壓靜葉柵前后的壓差比較大，由這種漏氣損失所引起的不良影響就比較嚴(yán)重。因此，在設(shè)計(jì)制造壓氣機(jī)時(shí)，這部分間隙同樣應(yīng)該盡可能地減小。1-動(dòng)葉柵2-擴(kuò)壓靜葉柵圖3-20徑向間隙中的潛流流動(dòng)與動(dòng)葉流道中的二次流圖3-21內(nèi)氣封中的漏氣工作葉輪或轉(zhuǎn)鼓斷面與氣流的摩擦鼓風(fēng)損失。通常這種損失是比較小的。外部損失所謂外部損失是指那些只會(huì)增加拖動(dòng)壓氣機(jī)工作的功率，但不影響氣流狀態(tài)參數(shù)的能量損失，它們有以下幾個(gè)方面：損耗在支持軸承和止推軸承上的機(jī)械摩擦損失。經(jīng)過壓氣機(jī)高壓側(cè)軸端的外氣封泄露到外界去的漏氣損失，圖3-22中給出了產(chǎn)生這種損失的示意圖。總之，在壓氣機(jī)中發(fā)生的一切內(nèi)部損失都將導(dǎo)致空氣的焓值和熵值，相對(duì)于等熵過程來說，都有所遞增，從而使作用于1kg/s空氣的實(shí)際壓縮功ly應(yīng)大于等熵壓縮功lys，相應(yīng)的將使等熵壓縮效率ηy下降。1-汽缸體2-壓氣機(jī)的高壓側(cè)軸端3-氣封片圖3-22在壓氣機(jī)的高壓側(cè)軸端上外氣封的漏氣損失多級(jí)軸流式壓氣機(jī)通道形狀的選擇氣流在多級(jí)軸流式壓氣機(jī)中的流動(dòng)，基本上是一個(gè)連續(xù)的穩(wěn)定的流動(dòng)過程。顯然，流經(jīng)每一級(jí)環(huán)形葉柵的空氣質(zhì)量流量，必定要滿足連續(xù)方程。通常，在壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)中，空氣的密度ρ總是增高的因而沿氣流的流動(dòng)方向Asca的乘積、氣流的軸向分速度ca以及流道的環(huán)形通流面積也是逐級(jí)減少的。能夠減少環(huán)形通流面積與軸向分速度的通道形狀是很多的，常用的有以下幾種形式，如圖3-23所示。1.等外徑方案，如圖3-23a所示。這種方案的特點(diǎn)是壓氣機(jī)各級(jí)的外徑恒定不變。它的最大優(yōu)點(diǎn)是各級(jí)動(dòng)葉的外徑上都能達(dá)到相同的最大的圓周速度ut，而在平均半徑和輪轂上，從第一級(jí)到最后一級(jí)，圓周速度都是逐級(jí)增大的。顯然，倘若各級(jí)的Δwu保持不變，那么，就可以逐級(jí)地增加壓縮比(由于外加機(jī)械功量ly=uΔwu的緣故)，從而減少壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)和軸向尺寸。此外，氣缸的結(jié)構(gòu)和加工也比較簡(jiǎn)單。它的缺點(diǎn)是：由于平均半徑和輪轂半徑是逐級(jí)增加的。對(duì)于流量小的高壓比的壓氣機(jī)來說，會(huì)導(dǎo)致末幾級(jí)葉片的高度減少得很快，從而增加了高壓級(jí)的二次流損失，效率就會(huì)降低。為此，等外徑方案大多用于大流量、中等增壓壓縮比的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中。a)等外徑通道b)等內(nèi)徑通道c)等平均直徑通道d)混合型通道圖3-23多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的通道形式2.等內(nèi)徑方案，如圖3-23b所示。在這種方案中，各級(jí)的動(dòng)葉根部直徑和圓周速度都是彼此相等的。通道外徑和平均直徑都是逐級(jí)減小的，即各級(jí)的加功量是有減小的趨勢(shì)，倘若不設(shè)法相應(yīng)的增大Δwu，壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)就會(huì)增多，軸向尺寸將會(huì)加長(zhǎng)。但是外徑和平均直徑的減小有利于增長(zhǎng)高壓級(jí)葉片的高度，級(jí)的氣動(dòng)性能容易得到保證，可以獲得較高的級(jí)效率。當(dāng)然，這種壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的加工是比較容易。這種方案較多的用于流量較小、而壓縮比較高的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中。3.等平均直徑方案，如圖3-23c所示。這種方案的特點(diǎn)介于等外徑方案和等內(nèi)徑方案之間。由于氣缸和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，因而很少采用。4.混合型方案，如圖3-23d所示。這種方案可同時(shí)兼顧級(jí)的加功量和效率兩個(gè)方面。當(dāng)總壓縮比大、級(jí)數(shù)較多時(shí)，被經(jīng)常采用。通常，低壓級(jí)采用等外徑方案，這樣可以增大級(jí)的加功量和壓縮比；高壓級(jí)則采用等內(nèi)徑方案，這樣，可以使后面幾級(jí)的葉片不至于太短，有利于減少二次流損失，以提高效率。這種方案大都用于大流量、高壓縮比的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中。壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能要求在本章第3節(jié)中我們已提到：壓氣機(jī)基元級(jí)的性能可以用空氣流量、壓縮比ε*和等熵壓縮效率η*y這些參數(shù)來表示。而壓氣機(jī)的級(jí)則是一系列基元級(jí)疊置而成的，因而壓氣機(jī)級(jí)的性能也可以用、ε*和η*y這些參數(shù)來描寫。同理，由許多個(gè)級(jí)串聯(lián)而成的多級(jí)壓氣機(jī)的性能也可以用以上三個(gè)參數(shù)的綜合值來表示。圖3-24單級(jí)軸流式壓氣機(jī)的特性曲線在轉(zhuǎn)速恒定的條件下，ε*和η*y圖3-24單級(jí)軸流式壓氣機(jī)的特性曲線圖3-24中給出了一個(gè)單級(jí)軸流式壓氣機(jī)的特性曲線。圖中空氣的流量是以體積流量GV(m3/s)來表示的。圖3-24的上半部分曲線描繪了：在轉(zhuǎn)速ny恒定不變的情況下，壓氣機(jī)的效率η*y隨空氣體積流量GV的改變而變化的關(guān)系；其下半部分曲線則反映出：當(dāng)轉(zhuǎn)速ny也是恒定不變時(shí)，壓氣機(jī)的級(jí)壓縮比ε*隨GV的改變而變化的關(guān)系。當(dāng)然，每一條曲線都對(duì)應(yīng)于某一個(gè)固定不變的轉(zhuǎn)速ny。從這些特性曲線上可以看出：在最初階段，ε*是隨GV的減小而逐漸增高的，到某一個(gè)流量時(shí)，它能達(dá)到最大值；此后，隨著GV的進(jìn)一步減小，它將朝著ε*不斷降低的方向發(fā)展。也就是說，壓氣機(jī)級(jí)的每一條特性曲線都有一個(gè)最高點(diǎn)，它把特性曲線分為左右兩個(gè)側(cè)支。在右側(cè)支上，ε*將隨GV的減小而增高；在左側(cè)支上，情況恰恰相反。此外，在壓氣機(jī)的效率η*y隨GV而變化的關(guān)系曲線上，也有類似的趨勢(shì)。但是應(yīng)該注意：當(dāng)流進(jìn)壓氣機(jī)的GV減少到某一數(shù)值后，壓氣機(jī)就不能穩(wěn)定地工作了。那時(shí)，在壓氣機(jī)中空氣流量會(huì)強(qiáng)烈的脈動(dòng)，壓縮比也會(huì)隨之上下波動(dòng)；同時(shí)還伴隨有低頻的吼聲，使壓氣機(jī)產(chǎn)生比較劇烈的振動(dòng)。這種現(xiàn)象叫做“喘振”。圖3-25多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的特性曲線實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速ny不同時(shí)，壓氣機(jī)發(fā)生喘振現(xiàn)象時(shí)所對(duì)應(yīng)的最小體積流量的數(shù)值也是不同的。假如把不同轉(zhuǎn)速下的這些喘振點(diǎn)連成一條虛線(如圖3-24所示)，那么，這條線就是壓氣機(jī)能否進(jìn)行穩(wěn)定工作的邊界線，通常稱之為喘振邊界線。它表示：位于喘振邊界線右側(cè)的任何工況點(diǎn)都是可以穩(wěn)定工作的，反之則否。顯然，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，因該絕對(duì)防止在壓氣機(jī)中發(fā)生喘振現(xiàn)象。圖3-25多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的特性曲線在圖3-25上給出了一臺(tái)多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的特性曲線。它與單級(jí)壓氣機(jī)的特性曲線相比，具有以下兩個(gè)比較明顯的區(qū)別，即：在同一轉(zhuǎn)速情況下，當(dāng)多級(jí)壓氣機(jī)的GV增大時(shí)ε*和η*y的下降程度要比單級(jí)壓氣機(jī)厲害得多，也就是說，特性曲線的變化趨勢(shì)很陡峭。這個(gè)特點(diǎn)在高轉(zhuǎn)速工況時(shí)更為明顯，那時(shí)特性曲線已幾乎成為一條垂直于橫坐標(biāo)的直線了。因而，對(duì)于轉(zhuǎn)速恒定不變的多級(jí)軸流式壓氣機(jī)來說，空氣流量的變化范圍是相當(dāng)狹窄的，通常其變化范圍為式中:GV·max——流進(jìn)壓氣機(jī)入口處空氣的最大體積流量；GV·min——在同一轉(zhuǎn)速情況下，壓氣機(jī)即將發(fā)生喘振時(shí)，流進(jìn)壓氣機(jī)入口處空氣的最小體積流量多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的特性曲線，通常不象單級(jí)壓氣機(jī)那樣，有一個(gè)把特性曲線劃分為左右兩個(gè)側(cè)支的、以流量為參數(shù)的ε*或η*y的最高轉(zhuǎn)折點(diǎn)。一般來說，隨著GV的減小，在壓氣機(jī)的ε*尚無下降趨勢(shì)之前，也就是說，壓氣機(jī)的工作點(diǎn)還處于特性曲線的右側(cè)支張時(shí)，壓氣機(jī)就會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象。因此，在多級(jí)軸流式壓氣機(jī)中，左側(cè)支特性曲線實(shí)際上是不存在的。應(yīng)該指出：以圖3-24和圖3-25那樣形式表示的壓氣機(jī)的特性曲線，都是在大氣溫度和壓力恒定于某個(gè)具體數(shù)值的情況下測(cè)定的。對(duì)于同一臺(tái)壓氣機(jī)來說，當(dāng)大氣參數(shù)恒定時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)口處的空氣質(zhì)量流量與體積流量GV之間，必然存在一個(gè)完全確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因而可以用取代GV。由此可見，在圖3-24和圖3-25中，壓氣機(jī)的特性曲線是可以改用以下形式來表示，即(3-26)這種形式的壓氣機(jī)特性曲線，在工程實(shí)踐中，也經(jīng)常會(huì)遇到，它的形狀與圖3-24和圖3-25所示者相似。圖3-26多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的通用特性曲線圖3-26多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的通用特性曲線為了排除大氣溫度和壓力的變化對(duì)于同一臺(tái)壓氣機(jī)特性曲線的影響，人們研究得知：應(yīng)該用以下關(guān)系來表示壓氣機(jī)的通用特性曲線，即(3-27)式中的p1*和T1*分別進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣之總壓和總溫。圖3-26上給出了多級(jí)軸流式壓氣機(jī)通用特性曲線的實(shí)例。其中參數(shù)稱為折合流量；則稱為折合轉(zhuǎn)速。它能適用于任何的大氣條件和壓氣機(jī)的進(jìn)氣情況。壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速和喘振現(xiàn)象在壓氣機(jī)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速和喘振現(xiàn)象的原因當(dāng)我們研究壓氣機(jī)的特性曲線時(shí)已經(jīng)指出：在壓氣機(jī)特性曲線的左側(cè)，有一條喘振邊界線。假如流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣流量減小到一定程度，而使運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)入了喘振邊界線的左側(cè)區(qū)，那么，整臺(tái)壓氣機(jī)的工作就不能穩(wěn)定。那時(shí)，空氣流量會(huì)忽大忽??；壓力會(huì)時(shí)高時(shí)低，甚至?xí)霈F(xiàn)氣流由壓氣機(jī)倒流到外界大氣中去的現(xiàn)象，同時(shí)還會(huì)發(fā)生巨大的聲響，使機(jī)組伴隨有強(qiáng)烈的振動(dòng)。這種現(xiàn)象通稱為喘振現(xiàn)象。在機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行中，決不能允許壓氣機(jī)在喘振工況下工作。那么，喘振現(xiàn)象究竟是整樣產(chǎn)生的呢？通常認(rèn)為：喘振現(xiàn)象的發(fā)生總是與壓氣機(jī)通流部分中出現(xiàn)的氣流脫離現(xiàn)象有密切關(guān)系。圖3-27上給出了在軸流式壓氣機(jī)流道中，發(fā)生氣流脫離現(xiàn)象時(shí)的物理模型。a)Gv>Gv0時(shí)b)Gv<Gv0(設(shè)計(jì)值)時(shí)圖3-27當(dāng)空氣的容積流量偏離設(shè)計(jì)時(shí)，在動(dòng)葉和靜葉流道中發(fā)生的氣流脫離現(xiàn)象我們知道：當(dāng)壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，氣流進(jìn)入工作葉柵時(shí)的沖角接近于零。但是當(dāng)空氣體積流量增大時(shí)(參見圖3-27a)，氣流的軸向速度c1a就要加大。假如壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速ny恒定不變，那么β1和α2角就會(huì)增大，由此產(chǎn)生了負(fù)沖角(i<0)。當(dāng)空氣體積流量繼續(xù)增大，而使負(fù)沖角加大到一定程度，在葉片的內(nèi)弧面上就會(huì)發(fā)生氣流邊界層的局部脫離現(xiàn)象。但是，這個(gè)脫離區(qū)不會(huì)繼續(xù)發(fā)展。這是由于當(dāng)氣流沿著葉片的內(nèi)弧側(cè)流動(dòng)時(shí)，在慣性力的作用下，氣體的脫離區(qū)會(huì)朝著葉片的內(nèi)弧面方向擠攏和靠近，因而可以防止脫離區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展。此外，在負(fù)沖角的工況下，壓氣機(jī)的級(jí)壓縮比有所減小，在那時(shí)，即使產(chǎn)生了氣流的局部脫離區(qū)，也不至于發(fā)展形成氣流的倒流現(xiàn)象。可是，當(dāng)流經(jīng)工作葉柵的空氣體積流量減小時(shí)(參見圖3-27b)，情況將完全相反了。那時(shí)，氣流的β1和α2角都會(huì)減小。然而，當(dāng)β1和α2角減小到一定程度后，就會(huì)在葉片的背弧側(cè)產(chǎn)生氣流邊界層的脫離現(xiàn)象。只要這種脫離現(xiàn)象一出現(xiàn)，脫離區(qū)就有不斷發(fā)展擴(kuò)大的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)氣流沿著葉片的背弧面流動(dòng)時(shí)，在慣性力的作用下，存在著一種使氣流離開葉片的背面而分離出去的自然傾向。此外，在正沖角的工況下，壓氣機(jī)的級(jí)壓比會(huì)增高，因而，當(dāng)氣流發(fā)生較大的脫離時(shí)，氣流就會(huì)朝著葉柵的進(jìn)氣方向倒流，這就為發(fā)生喘振現(xiàn)象提供了前提。試驗(yàn)表明：在葉片較長(zhǎng)的壓氣機(jī)中，氣流的脫離現(xiàn)象多半發(fā)生在葉高方向的局部范圍內(nèi)(例如葉片的頂部)。但是在葉片較短的級(jí)中，氣流的脫離現(xiàn)象卻有可能在整個(gè)葉片的高度上同時(shí)發(fā)生。應(yīng)該指出：上述的氣流脫離現(xiàn)象往往并不是在壓氣機(jī)工作葉柵的整圈范圍內(nèi)同時(shí)發(fā)生的。研究表明：在環(huán)形葉柵的整圈流道內(nèi)，可以同時(shí)產(chǎn)生幾個(gè)比較大的脫離區(qū)，而這些脫離區(qū)的寬度只不過涉及到一個(gè)或幾個(gè)葉片的通道。而且，這些脫離區(qū)并不是固定不動(dòng)的，它們將圍繞壓氣機(jī)工作葉輪的軸線，沿著葉輪的旋轉(zhuǎn)方向，以低于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，連續(xù)地旋轉(zhuǎn)著。因而這種脫離現(xiàn)象又稱為旋轉(zhuǎn)脫離(旋轉(zhuǎn)失速)。那么，這種旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的呢？這個(gè)問題可以用圖3-28所示的情況來說明。當(dāng)時(shí)，壓氣機(jī)的動(dòng)葉柵正以速度u朝右側(cè)方向移動(dòng)。假如由于空氣體積流量的減少，在葉片2的背弧面上首先出現(xiàn)了氣流的強(qiáng)烈脫離現(xiàn)象，可以設(shè)想：當(dāng)時(shí)，處于葉片2和3之間的那個(gè)通道就會(huì)部分地、或是全部地被脫離氣流所堵塞。這樣就會(huì)在這個(gè)通道的進(jìn)口部分。形成一個(gè)氣流停滯區(qū)(或稱低速區(qū))，它將迫使位于停滯區(qū)附近的氣流，逐漸改變其原有的流動(dòng)方向，即：使位于停滯區(qū)右邊的那些氣流的沖角減小，因而葉片1的繞流情況得到改善，氣流的脫離現(xiàn)象將逐漸消失；同時(shí)使位于停滯區(qū)左邊的那些氣流的沖角加大，從而促使在葉片3的背弧側(cè)開始發(fā)生氣流的脫離現(xiàn)象。由此可見，氣流的脫離區(qū)并不是恒定地固定在一個(gè)葉片上的，它會(huì)以某一個(gè)與動(dòng)葉柵的運(yùn)動(dòng)方向相反的速度u′，從右側(cè)朝左側(cè)方向逐漸轉(zhuǎn)移。試驗(yàn)表明：脫離區(qū)的轉(zhuǎn)移速度u′一般要比動(dòng)葉柵的圓周速度u低50%-70%。因此，在地面上當(dāng)人們觀察這個(gè)脫離區(qū)時(shí)將發(fā)現(xiàn)：它會(huì)以一個(gè)比壓氣機(jī)工作轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ny低得多的旋轉(zhuǎn)速度，沿著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向連續(xù)地旋轉(zhuǎn)著。這種旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象無論在單級(jí)壓氣機(jī)中，或是在多級(jí)壓氣機(jī)中都會(huì)發(fā)生。只要這種現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，就會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)級(jí)后的空氣流量和壓力，同時(shí)發(fā)生一定程度的波動(dòng)。圖3-28壓氣機(jī)動(dòng)葉柵中的旋轉(zhuǎn)脫流現(xiàn)象圖3-29漸進(jìn)失速級(jí)的特性線實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)脫離(失速)可以分為兩類。如果在失速的運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，壓氣機(jī)的特性曲線是連續(xù)的，這類現(xiàn)象稱為漸進(jìn)失速，如圖3-29所示。漸進(jìn)失速意味著：隨空氣流量的減少，失速區(qū)的數(shù)目增多，氣流受停滯的面積逐漸擴(kuò)大。一般在小輪轂比的級(jí)中，當(dāng)流量降低到小于失速值時(shí)，常在葉片的一端出現(xiàn)幾個(gè)失速區(qū)，它們的位置在葉片環(huán)形面積上是對(duì)稱分布的，失速區(qū)的傳播速度也是恒定的。當(dāng)流量進(jìn)一步減小時(shí)，失速區(qū)在徑向和周向擴(kuò)大，失速區(qū)的數(shù)目也逐漸增多。通常，失速區(qū)的數(shù)目在1-12個(gè)范圍內(nèi)。另一類失速稱為突變失速，它常發(fā)生在大輪轂比的級(jí)中。那時(shí)，沿全部葉片高度方向幾乎同時(shí)出現(xiàn)失速現(xiàn)象，并且迅速擴(kuò)展成占圓周1/2-1/3的大失速區(qū)。失速區(qū)的數(shù)目一般只有1-2個(gè)。圖3-30突變失速級(jí)的特性曲線圖3-30中給出了突變失速級(jí)的特性曲線。那時(shí)級(jí)的特性曲線是不連續(xù)的。當(dāng)空氣流量降低到圖3-30中的A點(diǎn)以下時(shí)，首先開始出現(xiàn)局部失速，這時(shí)級(jí)的壓縮比開始下降。當(dāng)流量進(jìn)一步減小，在B點(diǎn)出現(xiàn)突變失速時(shí)，壓氣機(jī)的工作點(diǎn)就會(huì)從B點(diǎn)跳到C點(diǎn)，那時(shí)，級(jí)的壓縮比急劇地下降，使等速線間斷，并明顯地分為不連續(xù)的兩個(gè)區(qū)段。倘若進(jìn)一步減少流量，失速區(qū)將擴(kuò)大，級(jí)的壓縮比繼續(xù)下降。流量和壓縮比的脈動(dòng)幅度也都會(huì)增高。如果這時(shí)開始增大流量，那么達(dá)到C點(diǎn)的流量后，失速區(qū)仍將相對(duì)地保持穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)失速并不消除，而是要到流量增加到D時(shí)，旋轉(zhuǎn)失速特性線上段的A點(diǎn)上去，重新恢復(fù)穩(wěn)定工作。由于在這種失速條件下沿全葉高方向幾乎同時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈的氣流脈動(dòng)，因此，葉片受到的激振力要比漸進(jìn)型大得多。所以突變失速是一種更加危險(xiǎn)的不穩(wěn)定狀態(tài)。圖3-30突變失速級(jí)的特性曲線總的來說，當(dāng)壓氣機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)工作時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。它最嚴(yán)重的后果是會(huì)使葉片損壞，從而有可能使整臺(tái)壓氣機(jī)破壞。通過以上分析可以看清：氣流脫離現(xiàn)象(失速)是壓氣機(jī)工作過程中有可能出現(xiàn)的一種特殊的內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)。只有當(dāng)空氣體積流量減少到一定程度后，氣流的正沖角就會(huì)加大到某個(gè)臨界值，以致在壓氣機(jī)葉柵中，迫使氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)失速流動(dòng)。嚴(yán)格地講，失速的分類知識(shí)對(duì)單級(jí)壓氣機(jī)是合適的。在多級(jí)壓氣機(jī)中往往兩類失速現(xiàn)象共存。通常，在多級(jí)壓氣機(jī)中使用全臺(tái)失速的概念，其含義是指多級(jí)壓氣機(jī)的性能有類似于單級(jí)壓氣機(jī)中突變失速那樣的不連續(xù)特性。但是必須注意，假如在壓氣機(jī)通流部分中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)失速比較微弱，那么，壓氣機(jī)并不一定就會(huì)馬上進(jìn)入喘振工況。只有當(dāng)體積流量繼續(xù)減小，致使旋轉(zhuǎn)失速進(jìn)一步發(fā)展后，在整臺(tái)壓氣機(jī)中才能出現(xiàn)不穩(wěn)定的喘振現(xiàn)象。那時(shí)，壓氣機(jī)的流量和壓力就會(huì)發(fā)生大幅度的、低頻的周期性波動(dòng)，并伴隨有風(fēng)嘯似的喘振聲，甚至有空氣從壓氣機(jī)倒流到大氣中去。在這種情況下壓氣機(jī)就不能正常工作。圖3-31中給出了壓氣機(jī)在喘振工況下所發(fā)生的壓力和速度的波動(dòng)示例，可以說明問題。a)壓氣機(jī)的正常運(yùn)行情況b)喘振工況p-壓力pp-平均壓力c-速度圖3-31壓氣機(jī)在喘振工況下壓力和速度的波動(dòng)情況1-壓氣機(jī)1-壓氣機(jī)2-工作系統(tǒng)(容器)3-閥門圖3-32壓氣機(jī)的工作系統(tǒng)簡(jiǎn)圖總之，在壓氣機(jī)中出現(xiàn)的喘振現(xiàn)象是一種比較復(fù)雜的流動(dòng)過程，它的發(fā)生是以壓氣機(jī)通流部分中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象為前提的，但也與壓氣機(jī)后面的工作系統(tǒng)有關(guān)。試驗(yàn)表明：工作系統(tǒng)的體積越大，喘振時(shí)空氣流量和壓力的震蕩周期就越長(zhǎng)，而且對(duì)于同一臺(tái)壓氣機(jī)來說，如果與它配合進(jìn)行工作的系統(tǒng)不同，那么，在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)生的喘振現(xiàn)象也就不一樣。喘振對(duì)壓氣機(jī)有極大的破壞性。出現(xiàn)喘振時(shí)，壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率都不穩(wěn)定，整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)，并伴有突發(fā)的、低沉的氣流轟鳴聲，有時(shí)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火停車。倘若喘振狀態(tài)下的工作時(shí)間過長(zhǎng)，壓氣機(jī)和燃?xì)馔钙饺~片以及燃燒室的部件都有可能因振動(dòng)和高溫而損壞，所以在燃?xì)廨啓C(jī)的工作過程中決不允許出現(xiàn)壓氣機(jī)的喘振工況。最后應(yīng)該指出：喘振和旋轉(zhuǎn)失速是兩種完全不同的氣流脈動(dòng)現(xiàn)象。喘振時(shí)通過壓氣機(jī)的流量會(huì)出現(xiàn)較大幅度的脈動(dòng)。而旋轉(zhuǎn)失速則是一種繞壓氣機(jī)軸旋轉(zhuǎn)的低流量區(qū)，那時(shí)通過壓氣機(jī)的平均流量是不變的。研究表明：當(dāng)壓氣機(jī)在低于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速ny0的情況下工作時(shí)，在壓氣機(jī)的前幾級(jí)中將會(huì)出現(xiàn)較大的正沖角，而后幾級(jí)中卻會(huì)形成負(fù)沖角。因而當(dāng)空氣流量降低到某個(gè)極限時(shí)，在壓氣機(jī)中容易發(fā)生因前幾級(jí)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速而導(dǎo)致的喘振現(xiàn)象。反之，當(dāng)壓氣機(jī)的前幾級(jí)在高于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速ny0情況工作知，壓氣機(jī)的后幾級(jí)中則會(huì)發(fā)生正沖角，那時(shí)喘振現(xiàn)象多半是由于發(fā)生在后幾級(jí)中的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象引起的。最后，對(duì)壓氣機(jī)的喘振現(xiàn)象可以歸納出以下幾點(diǎn)看法，以便加深認(rèn)識(shí)。級(jí)壓縮比越高的壓氣機(jī)、或者是總壓縮比越高和級(jí)數(shù)越多的壓氣機(jī)，就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。這是由于在這種壓氣機(jī)的葉柵中，氣流的擴(kuò)壓程度比較大，因而也就容易使氣流生產(chǎn)脫離(失速)現(xiàn)象。多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的喘振邊界線不一定是一條平滑的曲線，而往往可能是一條折線。據(jù)分析認(rèn)為：其原因可能是由于在不同的轉(zhuǎn)速工況下，進(jìn)入喘振工況的級(jí)并不相同的緣故。在多級(jí)軸流式壓氣機(jī)中，因最后幾級(jí)氣流的旋轉(zhuǎn)失速而引起的喘振現(xiàn)象會(huì)更加危險(xiǎn)，因?yàn)槟菚r(shí)機(jī)組的負(fù)荷一定很高，而這些級(jí)的葉片又比較短，氣流的失速現(xiàn)象很可能在整個(gè)葉高范圍內(nèi)發(fā)生，再加上當(dāng)?shù)氐膲毫τ指?，壓力的波?dòng)比較厲害，因而氣流的大幅度脈動(dòng)就會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。進(jìn)排氣口的氣流流動(dòng)不均勻的壓氣機(jī)就越容易發(fā)生喘振現(xiàn)象。防止在壓氣機(jī)中發(fā)生喘振現(xiàn)象的措施概括來說，目前防止發(fā)生喘振現(xiàn)象的措施有五個(gè)方面，即(1)在計(jì)壓氣機(jī)時(shí)應(yīng)合理選擇各級(jí)之間流量系數(shù)Φ=ca/u的配合關(guān)系，力求擴(kuò)大壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。很明顯，隨著流量系數(shù)值的減小，氣流的正沖角將增大，壓氣機(jī)級(jí)會(huì)逐漸趨近于喘振工況。當(dāng)達(dá)到某個(gè)極限值φ1時(shí)，在壓氣機(jī)的級(jí)中就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流脫離現(xiàn)象，以致進(jìn)入喘振區(qū)。由于在低速工況下，壓氣機(jī)的前幾級(jí)最容易發(fā)生喘振，因而在設(shè)計(jì)那種需要經(jīng)常在低于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行的壓氣機(jī)時(shí)，就應(yīng)該把壓氣機(jī)前幾級(jí)的流量系數(shù)選得大些，也就是說，這些級(jí)的外加功量應(yīng)該取得小些，這樣就能保證壓氣機(jī)前幾級(jí)不容易進(jìn)入喘振工況。反之，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速恒定不變的壓氣機(jī)，或者運(yùn)轉(zhuǎn)速度允許比設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速稍微高一些的壓氣機(jī)時(shí)，人們就應(yīng)該把這類壓氣機(jī)的后幾級(jí)流量系數(shù)選得大些，以擴(kuò)大后面幾級(jí)葉柵的穩(wěn)定工作范圍。(2)在軸流式壓氣機(jī)的第一級(jí)，或者前面若干級(jí)中，裝設(shè)可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的防喘措施。為什么這種措施能夠起到防喘振的作用呢？這個(gè)問題很容易從圖3-33中獲得解釋。a)導(dǎo)葉安裝角γp恒定不動(dòng)的情況b)入口導(dǎo)葉可旋轉(zhuǎn)的情況圖3-33壓氣機(jī)入口導(dǎo)葉恒定不動(dòng)和可以旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣流速度三角形的變化情況圖3-33a中表示出了：當(dāng)壓氣機(jī)采用固定導(dǎo)葉時(shí)，在壓氣機(jī)第一級(jí)動(dòng)葉前，由于空氣流量的改變而引起了氣流速度三角形的變化關(guān)系。那時(shí)，氣流流進(jìn)動(dòng)葉時(shí)的絕對(duì)速度：c1、c1′、c1″的方向?qū)嶋H上是不變的。因此，當(dāng)動(dòng)葉的圓周速度u恒定不變時(shí)，或者是當(dāng)氣流的軸向速度c2與圓周速度u不能按照同一個(gè)比例關(guān)系進(jìn)行變化時(shí)，那么，氣流流進(jìn)動(dòng)葉時(shí)的沖角i就要發(fā)生變化。圖3-33a中的①表示出了：在設(shè)計(jì)工況下，氣流進(jìn)入動(dòng)葉時(shí)的流動(dòng)情況，那時(shí)，進(jìn)氣沖角i=0；②表示出了：空氣流量大于設(shè)計(jì)值時(shí)，或者是氣流軸向速度的增長(zhǎng)率大于圓周速度增長(zhǎng)率時(shí)(反之，當(dāng)軸向速度的減小率小于圓周速度的減小率時(shí))氣流的流動(dòng)情況，那時(shí)將產(chǎn)生負(fù)沖角(i<0)；③則表示出了：空氣流量小于設(shè)計(jì)值時(shí)，或者是氣流軸向速度的增長(zhǎng)率小于圓周速度的增長(zhǎng)率時(shí)(反之，當(dāng)軸向速度的減小率大于圓周速度的減小率時(shí))氣流的流動(dòng)狀況——這種情況正是燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)，在壓氣機(jī)中經(jīng)常遇到的狀況，那時(shí)，將產(chǎn)生正沖角(i>0)。由此可見，在低轉(zhuǎn)速情況下，壓氣機(jī)的前幾級(jí)是很容易進(jìn)入喘振工況的。從圖3-33b中可以清楚地看出壓氣機(jī)入口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的作用。當(dāng)流進(jìn)壓氣機(jī)的空氣流量發(fā)生變化時(shí)，我們可以關(guān)小或開大可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的安裝角γp，使氣流絕對(duì)速度：c1、c1′和c1″的方向發(fā)生變化，這樣就能保證氣流進(jìn)入動(dòng)葉時(shí)的相對(duì)速度：w1、w1′、w1″的方向恒定不變。由此可見，在變工況條件下，當(dāng)壓氣機(jī)中出現(xiàn)了軸向速度與圓周速度的配合關(guān)系如圖3-33a中③那樣的情況時(shí)，我們只要把壓氣機(jī)導(dǎo)向葉片的安裝角γp關(guān)小，就能減小或消除氣流進(jìn)入動(dòng)葉時(shí)的正沖角，從而達(dá)到防喘的目的。由于在低轉(zhuǎn)速工況下，壓氣機(jī)的前幾級(jí)最容易進(jìn)入喘振工況，因而通?？偸前褖簹鈾C(jī)的第一級(jí)入口導(dǎo)葉，設(shè)計(jì)成為可以旋轉(zhuǎn)的。圖3-34中給出了在某臺(tái)20MW的燃?xì)廨啓C(jī)上采用的壓氣機(jī)第一級(jí)入口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的示意圖。這時(shí)，在每一個(gè)可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的頂部都安裝了一個(gè)小齒輪，旋轉(zhuǎn)這些小齒輪就可以改變?nèi)肟趯?dǎo)葉的安裝角。這些小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)則是依靠?jī)蓚€(gè)半圓形的齒條來帶動(dòng)的。而齒條的動(dòng)作卻由專