壓氣機與軸流式燃氣透平級數(shù)和效率的比較

壓氣機與軸流式燃氣透平級數(shù)和效率的比較圖5-28氣流在擴壓流道中發(fā)生的脫流現(xiàn)象與壓氣機相比，為什么軸流式燃氣透平的級數(shù)比較少而效率比較高？為了說明這個問題，首先應(yīng)該對氣流在壓氣機的出口擴壓器中的流動現(xiàn)象作一分析。為了便于分析，可以把壓氣機的出口擴壓器，簡化成為一個通流面積在流線方向逐漸增大的擴壓流道來處理，如圖5-28所示。圖5-28氣流在擴壓流道中發(fā)生的脫流現(xiàn)象圖5-29附面層內(nèi)速度的分布情況從流體力學(xué)中已知：由于氣流有粘性，當(dāng)它流過一個物體時，就會在其表面上逐漸形成附面層。在附面層中直接貼在壁面上的氣流質(zhì)點的速度等于零。當(dāng)氣體離開壁面后，氣流質(zhì)點的速度就會逐漸增大，一直增大到與主流區(qū)的速度w0相差1%的地方為止(如圖5-29所示)，這個厚度為δ的氣流層通稱為附面層。在氣流作上述流動時，由于附面層中氣流的速度梯度比較大，就會出現(xiàn)相當(dāng)大的粘滯摩擦力。因而為了保證附面層中流體質(zhì)點沿著主流的流動方向運動，貼近附面層的主流氣層中的氣流質(zhì)點，就必須把動能連續(xù)不斷地傳遞給附面層中的氣流質(zhì)點，使它能夠克服粘滯摩擦力而往前運動。與此同時，原來在主流區(qū)中運動的氣流質(zhì)點的速度就會降低下來，而逐漸達到與附面層的外邊界上的流速相同的程度。這就是說，沿著主流氣流的運動方向，附面層的厚度是在逐漸增加之中。圖5-29附面層內(nèi)速度的分布情況圖5-30在擴壓器的某個截面上，氣流速度場的分布情況很明顯，附面層的厚薄與氣流的流動情況有密切關(guān)系。在透平的動、靜葉流道中，由于主氣流的速度c或w圖5-30在擴壓器的某個截面上，氣流速度場的分布情況試驗表明：在擴壓器中附面層增厚的趨勢與擴壓器的擴張角α有密切關(guān)系。α角增大，正意味著沿著氣流的流動方向，氣流速度下降得比較迅速，因而附面層容易加厚。圖5-30中給出了當(dāng)擴張角α不同時，在擴壓器的某個截面上氣流速度場的分布情況。由圖中可以看出：隨著擴張角α的增大，在y/l較小的近壁部位，氣流的速度w將會偏離主流氣流的速度w0越加厲害。當(dāng)擴張角α大于某個臨界值α1后，上述現(xiàn)象就會加劇。那時附面層中的質(zhì)點就有不能被主流帶著一起向前運動而完全停滯下來的危險。由于在擴壓流道中，氣流下游方向的壓力要比上游方向高，這樣，在壁面附近就會出現(xiàn)氣流的反向運動，致使主流脫離壁面，形成強烈的旋渦(參見圖5-28中的斷面a-a)。當(dāng)渦流現(xiàn)象出現(xiàn)后，能量損失就會劇增，并且還會由于氣流的脫離，使主流部分的通流面積變小，主流速度隨之增高。其結(jié)果都會使擴壓器的增壓效果變壞，而無法獲得原先期望的壓力增升值。通常，為了防止出現(xiàn)上述不良情況，應(yīng)把擴張角α控制在7°~8°范圍內(nèi)。在任何條件下，α角都不能大于10°~12°。不難想象，以上這種流動現(xiàn)象不僅會在壓氣機的出口擴壓器中出現(xiàn)，而且還會在壓氣機的動葉葉柵和擴壓靜葉柵中發(fā)生。因為這些葉柵流道的通流面積，也像擴壓器那樣，是做成沿氣流的流動方向在不斷增加之中的。為了說明這個問題，我們只需分析一下氣流流過壓氣機葉型時，空氣壓力沿葉型表面的分布情況就夠了。圖5-31中給出了這種分布關(guān)系?？諝鈮毫ρ厝~型表面的分布關(guān)系，一般都是用無量綱量——壓力系數(shù)來表示的，即(5-51)式中p——葉型表面上任何一點的靜壓；p1——葉柵前氣流未被擾動時的靜壓；(1/2)ρ1w21——葉柵前氣流未被擾動時的動能。圖5-31a中形象地給出了壓氣機葉柵中，葉型表面的壓力分布圖。其上各點的壓力或壓力系數(shù)是用一定比例的垂直線長度來表示的。箭頭的方向則表示出了該點的空氣壓力p，相對于基準壓力p1來說，是高還是低的趨勢。從圖上可以清楚地看到：即使在沖角i≈0的情況下，葉型背弧和內(nèi)弧面上的壓力分布情況也是不一樣的，在背弧面上極大部分地區(qū)都是負壓區(qū)(即p<p1，或<0)，而且在背弧的前段是一個壓力不斷下降，而流速不斷增快的減壓加速區(qū)；背弧的后段則是一個壓力逐漸升高、而流速逐漸減慢的增壓減速區(qū)。顯然，氣流在增壓減速區(qū)中的流動情況正好與擴壓器中的流動情況相似，因而在壓氣機葉型背弧的出氣邊上，很容易發(fā)生氣流的脫離現(xiàn)象。然而，在葉型的內(nèi)弧面上，壓力的分布情況就不太一樣了。那時，在內(nèi)弧的前段是一個區(qū)域較小的負壓區(qū)，而內(nèi)弧的其他部分則都是正壓區(qū)(即p>p1，或)。當(dāng)然，在內(nèi)弧的前段也存在一個增壓減速區(qū)，在那兒，氣流也有發(fā)生脫離現(xiàn)象的可能性。但是，沿葉型內(nèi)弧表面流動的氣流，由于慣性力的作用，具有一種自然貼向葉型內(nèi)弧表面的傾向，因而在這個增壓減速區(qū)中，也不至于產(chǎn)生很強烈的氣流脫離現(xiàn)象。a)壓氣機葉型表面的分布b)不同I值下的分布圖中——i=-0o46’……i=-15o40’—·—·—i=10o02’圖5-31K-1壓氣機動葉葉柵（t/b=0.868)，在各種沖角i的情況下，葉型表面壓力系數(shù)的分布特性1-附面層1-附面層2-氣流脫離圖5-32在壓氣機葉型背弧上發(fā)生的附面層和氣流的脫離現(xiàn)象試驗表明：在壓氣機葉型表面上發(fā)生的氣流脫離現(xiàn)象，與氣流來流方向的沖角i，以及葉型型線的設(shè)計有密切關(guān)系。在圖5-31b中給出了在不同的沖角i情況下，于K-1型壓氣機的動葉葉柵表面上，壓力系數(shù)的變化情況。由圖中可以看出：當(dāng)正沖角很大時，從側(cè)點10開始，在葉型的背弧上將發(fā)生范圍很廣的、壓力梯度變化很陡的增壓減速區(qū)。由于氣流在流經(jīng)背弧表面時，在慣性力的作用下，本來就存在一種脫離背弧的傾向，所以在正沖角較大的情況下，在葉型的背弧上必然很容易出現(xiàn)強烈的氣流脫離現(xiàn)象。這不但會導(dǎo)致葉柵中能量損失的劇增，而且還會使氣流有生產(chǎn)倒流的可能，進而為壓氣機中發(fā)生的喘振現(xiàn)象提供了條件。同時，從圖5-31b中還可以看出：當(dāng)負沖角很大時，從側(cè)點開始，在葉型內(nèi)弧的進氣側(cè)，也會出現(xiàn)一個壓力梯度比較陡的增壓減速區(qū)。當(dāng)時，在該地區(qū)也會發(fā)生一定程度的氣流脫離現(xiàn)象。但是由于慣性力作用，其脫離程度要比在背弧上產(chǎn)生的脫離現(xiàn)象輕得多。由此可見，當(dāng)氣流流經(jīng)壓氣機葉柵時，即使正沖角和負沖角的絕對值彼此相同，但在正沖角工況下所產(chǎn)生的流動能量損失，必然要比負沖角工況大得多。圖5-33上給出了在某種壓氣機的葉柵中，葉型的阻力系數(shù)Cm與氣流沖角i和氣流折角ε之間的變化關(guān)系，可以進一步說明這個問題。當(dāng)然，在壓氣機葉型表面上發(fā)生的氣流脫離現(xiàn)象，與葉型型線的設(shè)計有很大關(guān)系，特別是與葉型的彎曲角θ有關(guān)。由圖3-12可知顯然，θ角的加大必然意味著葉柵幾何出口角β2j與幾何入口角β1j的差值越大，也就是說，當(dāng)葉柵的柵距t和寬度Ba一定時，葉柵出口的截面積A2就要比進口的截面積A1大得多。這個問題很容易從圖5-34中獲得證明。圖5-33壓氣機葉形的阻力系數(shù)Cm與氣流沖角i和氣流折轉(zhuǎn)角ε之間的關(guān)系圖5-34葉柵進出口通流面積的變化關(guān)系由圖5-34中可知既因而，當(dāng)β2j和β1j差值越大時，A2也就要比A1大得多。顯然，在Ba一定的情況下，這正意味著，與前面討論過的出口擴壓器中擴張角α相當(dāng)?shù)娜~柵之?dāng)U張角就很大。由此可見，當(dāng)氣流流過θ較大的壓氣葉柵時，一定比較容易發(fā)生氣流的脫離現(xiàn)象，同時，還會使氣流流動的能量損失增大。這個問題也可以從圖5-33中獲得證明。顯然，由第3章關(guān)系式(3-24)中已知：θ≠ε，但是當(dāng)θ角加大時，ε必然也增大，即阻力系數(shù)Cm將隨之加大。當(dāng)發(fā)生氣流脫離現(xiàn)象后，Cm會急劇地增高上去。因而為了避免氣流流過壓氣機葉柵時發(fā)生嚴重的脫離現(xiàn)象，通常，總是把壓氣機葉型的彎曲角θ限制在45°角以內(nèi)。當(dāng)我們結(jié)合第3章圖3-7b來分析關(guān)系式(3-5)時，不難進一步發(fā)現(xiàn)：隨著壓氣機葉型彎曲角θ的減小，必然會導(dǎo)致氣流流經(jīng)動葉柵時Δwu值的減小。這就是說：當(dāng)壓氣機葉型的θ角受限制時，也正意味著外界通過工作葉輪和動葉柵傳遞給1㎏空氣的壓縮軸功ly必將受到了限制，即壓氣機級的壓縮比受到了限制。當(dāng)我們觀察圖5-9所示的透平級的速度三角形，并分析式(5-7)時，可以發(fā)現(xiàn)：由