1、1第五章 軸流壓氣機性能特性 第第2次作業(yè)次作業(yè) 1，新講義，新講義P138，第，第10題：題：一臺高涵道比風扇，在標準海平面大氣條件下一臺高涵道比風扇，在標準海平面大氣條件下，風扇流量為，風扇流量為360kg/s，風扇壓比為，風扇壓比為1.65，風扇效率為，風扇效率為0.89，風扇直徑，風扇直徑1.6m，風扇轉速為，風扇轉速為n=5000r/min。 （1）計算傳動這臺風扇動力的功率數(shù)值；）計算傳動這臺風扇動力的功率數(shù)值； （2）按縮型比為）按縮型比為0.6縮型此風扇進行實驗研究時，其動力原功率為多縮型此風扇進行實驗研究時，其動力原功率為多少千瓦？少千瓦？ （3）實驗臺動力必須達到的轉速是多

2、少？）實驗臺動力必須達到的轉速是多少？ 2，新講義，新講義P138，第，第6題：題： 用物理圖畫說明旋轉失速的機理。用物理圖畫說明旋轉失速的機理。 3，新講義，新講義P138，第，第7題：題： 簡述喘振的物理全過程。為什么有時在發(fā)動機進入喘振時，壓氣機簡述喘振的物理全過程。為什么有時在發(fā)動機進入喘振時，壓氣機進口處會出現(xiàn)進口處會出現(xiàn)“吐火吐火”的現(xiàn)象？的現(xiàn)象？ 288HTk2101325/HPN m2上節(jié)課內容回顧 對于幾何相似的壓氣機，如果流動進入自模區(qū)，沒有對于幾何相似的壓氣機，如果流動進入自模區(qū)，沒有臨界截面，流動相似需要滿足：臨界截面，流動相似需要滿足：壓氣機內流動相似，需要滿足：壓氣

3、機內流動相似，需要滿足：軸流壓氣機的等價相似準則軸流壓氣機的等價相似準則000/,/TnpTG10)(uaq，10,uaMaMa幾何相似；運動相似；動力相似。幾何相似；運動相似；動力相似。進口進口Ma數(shù)相等（包括大小和方向）。考慮到動葉的旋轉，數(shù)相等（包括大小和方向）。考慮到動葉的旋轉，需要保持進口需要保持進口Ma數(shù)、葉尖切線數(shù)、葉尖切線Ma數(shù)相等。數(shù)相等。3上節(jié)課內容回顧v單級壓氣機的實驗特性曲線單級壓氣機的實驗特性曲線v亞聲速壓氣機亞聲速壓氣機超跨聲速壓氣機超跨聲速壓氣機4上節(jié)課內容回顧v多級軸流壓氣機在非設計工況下級間的不協(xié)調性多級軸流壓氣機在非設計工況下級間的不協(xié)調性 若工作壓比高于設

4、計值，此時流道收縮太慢，軸向速若工作壓比高于設計值，此時流道收縮太慢，軸向速度逐級加速變小；度逐級加速變小； 若工作壓比低于設計值，此時流道收縮太快，軸向速若工作壓比低于設計值，此時流道收縮太快，軸向速度逐級加速變大。度逐級加速變大。zazzaaacAcAcAcA333222111G第第一一級級第第二二級級末末級級5上節(jié)課內容回顧v四類非設計工況分析四類非設計工況分析zazzaacAcAcA222111Gconstpnconstccnzaza11111uccaazzazaucc 65.3 軸流壓氣機相似準則的應用5.3 軸流壓氣機相似準則的應用軸流壓氣機相似準則的應用v應用一：在進行壓氣機實驗

5、時，運用相似理論來減少應用一：在進行壓氣機實驗時，運用相似理論來減少驅動壓氣機運轉所需要的功率驅動壓氣機運轉所需要的功率 。75.3 軸流壓氣機相似準則的應用1，縮型實驗，縮型實驗uaq，)(0)(0001aqTpKAG111111ApTGApTG211lKAAGGv所需實驗臺功率、轉速的變化所需實驗臺功率、轉速的變化（1 1）確定相比較的對象；（）確定相比較的對象；（2 2）相似準則的選取；）相似準則的選取；（3 3）確定相比較的截面。）確定相比較的截面。*1TDnKulkDDnn1111*1TDnKTDnK85.3 軸流壓氣機相似準則的應用2，進口節(jié)流法實驗，進口節(jié)流法實驗1111pTGp

6、TG*1*1PPGG000/,/TnpTGv另一種減少實驗壓氣機消耗功率的辦法是關小壓氣另一種減少實驗壓氣機消耗功率的辦法是關小壓氣機實驗裝置中的進氣節(jié)流閥，使進入壓氣機的氣體總機實驗裝置中的進氣節(jié)流閥，使進入壓氣機的氣體總壓降低，從而減少流量，減少消耗功率。壓降低，從而減少流量，減少消耗功率。（1 1）確定相比較的對象；（）確定相比較的對象；（2 2）相似準則的選取；）相似準則的選取；（3 3）確定相比較的截面。）確定相比較的截面。95.3 軸流壓氣機相似準則的應用例題例題1、 風扇風扇/壓氣機縮型實驗壓氣機縮型實驗v所設計的戰(zhàn)斗機用小涵道比風扇，在標準海平面大氣所設計的戰(zhàn)斗機用小涵道比風扇

7、，在標準海平面大氣條件下，風扇流量為條件下，風扇流量為105kg/s，風扇壓比為，風扇壓比為2.2，效率為，效率為0.88，風扇直徑，風扇直徑900mm，轉速為，轉速為n=10500r/min。v（1）進行縮型實驗研究，相似準則必須滿足哪些？）進行縮型實驗研究，相似準則必須滿足哪些？v（2）如果實驗臺動力功率最大僅能提供）如果實驗臺動力功率最大僅能提供2000千瓦，按千瓦，按多少縮型比進行實驗研究比較適宜？多少縮型比進行實驗研究比較適宜？v（3）實驗臺動力必須達到的轉速是多少？）實驗臺動力必須達到的轉速是多少？105.3 軸流壓氣機相似準則的應用求解：求解：v（1）幾何尺寸有變化，因此其相似準

8、則應是）幾何尺寸有變化，因此其相似準則應是5tt102/DURe/adkLGPKWRTkkGkk8717/ ) 1(11*1uaq，)(0111260/12RTkknDRTkkUu1110)(PKATGqa同時必須滿足雷諾數(shù)大于同時必須滿足雷諾數(shù)大于2105（2）原型所需耗費的功率為：）原型所需耗費的功率為：115.3 軸流壓氣機相似準則的應用求解：求解：（2）縮型所需耗費的功率為：）縮型所需耗費的功率為：KWRTkkGPkk2000/ ) 1( 11*1uMa211lkAAGG1 . 2lklttkDDnnrpmn22050（3）實驗臺所需達到的轉速：）實驗臺所需達到的轉速：滿足滿足 的相似

9、條件的相似條件12第五章 軸流壓氣機性能特性例題例題2、 進口節(jié)流法進口節(jié)流法v若例題若例題1中實驗臺的縮型比采用中實驗臺的縮型比采用1:2，其動力源功率，其動力源功率仍然滿足不了縮型實驗的要求，此時采用進口節(jié)流仍然滿足不了縮型實驗的要求，此時采用進口節(jié)流法的相似準則是什么？進口總壓下降法的相似準則是什么？進口總壓下降10%的時候實的時候實驗臺實際消耗功率是多少？驗臺實際消耗功率是多少？135.3 軸流壓氣機相似準則的應用求解：求解：（1）在幾何尺寸不變時，節(jié)流法的相似準則是：）在幾何尺寸不變時，節(jié)流法的相似準則是：kkkkRTkkGP/ ) 1(111節(jié)流節(jié)流00/ pTG0/TnKWKWP

10、19614/87179 . 0節(jié)流 （2）節(jié)流后所需耗費的功率為：）節(jié)流后所需耗費的功率為：（3）校驗雷諾數(shù)的大小！）校驗雷諾數(shù)的大小！145.3 軸流壓氣機相似準則的應用v應用二：在性能優(yōu)異的原型壓氣機上，運用相似理論應用二：在性能優(yōu)異的原型壓氣機上，運用相似理論來進行縮放、加零級設計來進行縮放、加零級設計 。1，利用好的原型壓氣機進行縮放設計，利用好的原型壓氣機進行縮放設計v一臺性能良好的多級壓氣機可以按相似準則進一臺性能良好的多級壓氣機可以按相似準則進行放大或縮小，應用到所需要的新機種中去。行放大或縮小，應用到所需要的新機種中去。v對于實驗研究中的高性能新型壓氣機進行放大（由于對于實驗研

11、究中的高性能新型壓氣機進行放大（由于實驗壓氣機尺寸多半較小）就可應用于新機種實驗壓氣機尺寸多半較小）就可應用于新機種。155.3 軸流壓氣機相似準則的應用2，壓氣機，壓氣機“加零級加零級”設計設計v所依賴的相似準則所依賴的相似準則*11*11G TGTPP*11nnTT在什么截面上應用上述相似準則？在什么截面上應用上述相似準則？165.3 軸流壓氣機相似準則的應用例題例題3、 壓氣機加零級設計壓氣機加零級設計v我院研制的我院研制的WP11的原型為美國的原型為美國J69發(fā)動機，該發(fā)動機發(fā)動機，該發(fā)動機由一級軸流壓氣機和一級離心壓氣機組成，其軸流壓氣由一級軸流壓氣機和一級離心壓氣機組成，其軸流壓氣

12、機是在原法國產(chǎn)小型發(fā)動機機是在原法國產(chǎn)小型發(fā)動機Marbore2上上“加零級加零級”而而來。來。v“加零級加零級”設計的相似準則是什么？設計的相似準則是什么？v如果要把如果要把WP11改為小型渦扇發(fā)動機，請問在標準大改為小型渦扇發(fā)動機，請問在標準大氣進口條件下，若新的氣進口條件下，若新的“零級零級” 級壓比為級壓比為2.0、效率為、效率為0.88時，原壓氣機級轉速提升多少？內涵空氣流量能增時，原壓氣機級轉速提升多少？內涵空氣流量能增大多少？大多少？175.3 軸流壓氣機相似準則的應用求解：求解：v（1） “加零級加零級”設計的相似準則是設計的相似準則是*11*11G TGTPP*11nnTT0

13、0/ pTG0/Tn在什么截面上應用如下等式？在什么截面上應用如下等式？問：是否滿足雷諾數(shù)大于問：是否滿足雷諾數(shù)大于2105？185.3 軸流壓氣機相似準則的應用求解：求解：（2）“零級零級”后的總溫為：后的總溫為：KTTTkk351/ ) 1(11*11*11nnTTnn104. 1GG81. 1*11*11G TGTPP滿足相似準則所需達到的新轉速、流量：滿足相似準則所需達到的新轉速、流量：195.4 壓氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)5.4 壓氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)壓氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)v不穩(wěn)定工況的分類不穩(wěn)定工況的分類v壓氣機非穩(wěn)定工況可以分為兩大類。第一類屬于氣壓氣機非穩(wěn)定工況可以分為兩大類

14、。第一類屬于氣動彈性現(xiàn)象，這時葉片的振動屬于自激振動，這種現(xiàn)動彈性現(xiàn)象，這時葉片的振動屬于自激振動，這種現(xiàn)象被稱之為顫振。這種現(xiàn)象不在這里介紹。象被稱之為顫振。這種現(xiàn)象不在這里介紹。v第二類是單純氣動現(xiàn)象，它也會激發(fā)葉片的振動，但第二類是單純氣動現(xiàn)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。這種葉片振動性質屬于他激振動。v第二類非穩(wěn)定工況又分為兩種：一是旋轉失速或稱旋第二類非穩(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(xiàn)象。二者既有差別又有聯(lián)系。轉分離；另一種是喘振現(xiàn)象。二者既有差別又有聯(lián)系。205.4 壓氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)一，旋轉失速一，旋轉失速當轉速一定而空

15、氣流量減少時，就會引起轉子動葉攻角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，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。在轉子后測得的同時壓氣機發(fā)出特殊叫聲，振動也增大。在轉子后測得的流場表明，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)定工況被稱為旋轉失速。轉方向轉動，這種非穩(wěn)定工況被稱為旋轉失速。215.4 壓氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)v 旋轉失速現(xiàn)象的經(jīng)典解釋 率先出現(xiàn)分離區(qū)的葉片前面出現(xiàn)了明顯的氣流阻塞現(xiàn)象，率先出現(xiàn)分離區(qū)的

16、葉片前面出現(xiàn)了明顯的氣流阻塞現(xiàn)象，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，從而引起左面葉片攻角增大并分離，同時引起右面葉片的攻角減小并解除片攻角增大并分離，同時引起右面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，即相對轉子葉分離，因而分離區(qū)相對于葉片排向左傳播，即相對轉子葉片按照葉片旋轉方向相反的方向轉動。片按照葉片旋轉方向相反的方向轉動。 站在絕對坐標系上觀察，旋轉失速團以比壓氣機轉速為低站在絕對坐標系上觀察，旋轉失速團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。的速度，和壓氣機旋轉方向相同作旋轉運動。 225.4 壓

17、氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)v 失速的不同類型 有些情況下，失速團會貫穿整個葉高，這時，失速團通常有些情況下，失速團會貫穿整個葉高，這時，失速團通常只有一個。這樣的失速形態(tài)一般發(fā)展為突變性失速。突變只有一個。這樣的失速形態(tài)一般發(fā)展為突變性失速。突變型失速較多地產(chǎn)生在輪轂比較大的壓氣機中，由于葉片短，型失速較多地產(chǎn)生在輪轂比較大的壓氣機中，由于葉片短，旋轉失速一旦產(chǎn)生就可能波及整個葉高旋轉失速一旦產(chǎn)生就可能波及整個葉高 。 有時，失速團有多個，但每個失速團都沒有貫穿葉高。其有時，失速團有多個，但每個失速團都沒有貫穿葉高。其失速形式稱為部分展向失速。在一定的條件下，漸進型失失速形式稱為部分展向失速。在一

18、定的條件下，漸進型失速也可以發(fā)展為突變型失速。速也可以發(fā)展為突變型失速。 235.4 壓氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)旋轉失速的主要特征：旋轉失速的主要特征：v 旋轉失速時，失速團沿壓氣機周向運動，造成周向不均勻流旋轉失速時，失速團沿壓氣機周向運動，造成周向不均勻流動，流場是非軸對稱的；動，流場是非軸對稱的；v 漸進型失速時，隨流量降低，壓氣機的壓升逐漸減小；漸進型失速時，隨流量降低，壓氣機的壓升逐漸減小；v 突變型失速時，壓升會發(fā)生突然的下降；突變型失速時，壓升會發(fā)生突然的下降；v 旋轉失速時，其氣流脈動頻率和脈動振幅與流路容積特性無旋轉失速時，其氣流脈動頻率和脈動振幅與流路容積特性無關，主要取決于

19、壓氣機的工況（軸向速度和轉速）。關，主要取決于壓氣機的工況（軸向速度和轉速）。v 危害：頻率高、強度大，葉片疲勞斷裂。危害：頻率高、強度大，葉片疲勞斷裂。-0.50.00.51.01.52.02.53.03.5-3000-2000-100001000200030004000-0.50.00.51.01.52.02.53.03.5-3000-2000-100001000200030004000t 50 Hz Low Pass Filter on stall3_05315stall_pointPstj 05-3-15 (Channel)245.4 壓氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)喘振喘振v什么樣的不穩(wěn)定現(xiàn)

20、象屬于喘振？什么樣的不穩(wěn)定現(xiàn)象屬于喘振？v壓氣機的一類氣動失穩(wěn)現(xiàn)象，其流量和壓升具有周壓氣機的一類氣動失穩(wěn)現(xiàn)象，其流量和壓升具有周期性的高振幅振蕩，時而體現(xiàn)為非失速的正常流動，期性的高振幅振蕩，時而體現(xiàn)為非失速的正常流動，時而表現(xiàn)為低流量低壓升的失速流動。時而表現(xiàn)為低流量低壓升的失速流動。v喘振發(fā)生的物理機理喘振發(fā)生的物理機理v流量減少，攻角增大，葉背全展向分離；流量減少，攻角增大，葉背全展向分離；v進出口流量調節(jié)的不匹配進出口流量調節(jié)的不匹配v出口高反壓的管路環(huán)境出口高反壓的管路環(huán)境v由于氣流分離導致的增壓能力的喪失，產(chǎn)生周期性的由于氣流分離導致的增壓能力的喪失，產(chǎn)生周期性的倒流、解除分離、

21、正常流動、分離、再倒流的循環(huán)過程。倒流、解除分離、正常流動、分離、再倒流的循環(huán)過程。255.4 壓氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)喘振的主要特征喘振的主要特征v壓氣機出口總壓和流量大幅度的波動；壓氣機出口總壓和流量大幅度的波動；v壓氣機內部形成逆向的軸向流動；壓氣機內部形成逆向的軸向流動；v發(fā)出音調低而沉悶的放炮聲；發(fā)出音調低而沉悶的放炮聲；v非常強烈的機械振動；轉速不穩(wěn)定。非常強烈的機械振動；轉速不穩(wěn)定。 v喘振時，其氣流脈動頻率和脈動振幅與流路容積特性喘振時，其氣流脈動頻率和脈動振幅與流路容積特性相關，頻率低、強度大。相關，頻率低、強度大。v只要具備一定的出口高反壓管路系統(tǒng)，旋轉失速基本只要具備一定

22、的出口高反壓管路系統(tǒng)，旋轉失速基本上會成為喘振的前奏。上會成為喘振的前奏。265.4 壓氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)失速裕度的定義失速裕度的定義v流量穩(wěn)定裕度流量穩(wěn)定裕度v增壓比穩(wěn)定裕度增壓比穩(wěn)定裕度v綜合穩(wěn)定裕度的定義綜合穩(wěn)定裕度的定義/.1100%/ssddGS MGv對于航空發(fā)動機用的壓氣機，一般情況，在設計轉速下，對于航空發(fā)動機用的壓氣機，一般情況，在設計轉速下，壓氣機失速裕度應為壓氣機失速裕度應為1520%左右。左右。275.4 壓氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)壓氣機擴穩(wěn)措施簡介壓氣機擴穩(wěn)措施簡介（1）氣動設計中的擴穩(wěn)措施）氣動設計中的擴穩(wěn)措施v重點是考慮多級壓氣機的前面級和后面級重點是考慮多級壓

23、氣機的前面級和后面級v第一級動葉寬弦設計、機匣處理設計、大稠度第一級動葉寬弦設計、機匣處理設計、大稠度v末級寬弦設計、大稠度、端彎設計、組合葉柵末級寬弦設計、大稠度、端彎設計、組合葉柵v各級設計攻角的限制各級設計攻角的限制v其它氣動設計措施：如邊界層吸附等。其它氣動設計措施：如邊界層吸附等。 285.4 壓氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)v（2）壓氣機中間級放氣）壓氣機中間級放氣295.4 壓氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)v（3）可調進口導流葉片和靜子葉片）可調進口導流葉片和靜子葉片 30第五章 軸流壓氣機性能特性v（4）雙轉子壓氣機工作原理）雙轉子壓氣機工作原理 315.4 壓氣機的不穩(wěn)定工況與擴穩(wěn)雙轉子壓氣機的工作原理雙轉子壓氣機的工作原理v壓氣機的情況壓氣機的情況v在低換算轉速下工作時，壓氣機的前面級正攻在低換算轉速下工作時，壓氣機的前面級正攻角增大而后面級攻角減小，可能出現(xiàn)前喘后堵