叶轮机械原理-第五章

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1、第 五 章 轴 流 压 气 机 性 能 特 性 第 2次 作 业 1， 新 讲 义 P138， 第 10题 ：一 台 高 涵 道 比 风 扇 ， 在 标 准 海 平 面 大 气 条 件 下， 风 扇 流 量 为 360kg/s， 风 扇 压 比 为 1.65， 风 扇 效 率 为 0.89， 风 扇 直 径1.6m， 风 扇 转 速 为 n=5000r/min。 （ 1） 计 算 传 动 这 台 风 扇 动 力 的 功 率 数 值 ； （ 2） 按 缩 型 比 为 0.6缩 型 此 风 扇 进 行 实 验 研 究 时 ， 其 动 力 原 功 率 为 多少 千 瓦 ？ （ 3） 实 验 台 动

2、力 必 须 达 到 的 转 速 是 多 少 ？ 2， 新 讲 义 P138， 第 6题 ： 用 物 理 图 画 说 明 旋 转 失 速 的 机 理 。 3， 新 讲 义 P138， 第 7题 ： 简 述 喘 振 的 物 理 全 过 程 。 为 什 么 有 时 在 发 动 机 进 入 喘 振 时 ， 压 气 机进 口 处 会 出 现 “ 吐 火 ” 的 现 象 ？ 288HT k 2101325 /HP N m 上 节 课 内 容 回 顾 对 于 几 何 相 似 的 压 气 机 ， 如 果 流 动 进 入 自 模 区 ， 没 有临 界 截 面 ， 流 动 相 似 需 要 满 足 ：压 气 机 内

3、 流 动 相 似 ， 需 要 满 足 ：轴 流 压 气 机 的 等 价 相 似 准 则 000 /,/ TnpTG 10)( uaq ， 10, ua MaMa 几 何 相 似 ； 运 动 相 似 ； 动 力 相 似 。进 口 Ma数 相 等 （ 包 括 大 小 和 方 向 ） 。 考 虑 到 动 叶 的 旋 转 ，需 要 保 持 进 口 Ma数 、 叶 尖 切 线 Ma数 相 等 。 上 节 课 内 容 回 顾v单 级 压 气 机 的 实 验 特 性 曲 线v亚 声 速 压 气 机 超 跨 声 速 压 气 机 上 节 课 内 容 回 顾v多 级 轴 流 压 气 机 在 非 设 计 工 况 下

4、 级 间 的 不 协 调 性 若 工 作 压 比 高 于 设 计 值 ， 此 时 流 道 收 缩 太 慢 ， 轴 向 速度 逐 级 加 速 变 小 ； 若 工 作 压 比 低 于 设 计 值 ， 此 时 流 道 收 缩 太 快 ， 轴 向 速 度 逐 级 加 速 变 大 。 zazzaaa cAcAcAcA 333222111G 第一级 第二级 末级 上 节 课 内 容 回 顾v四 类 非 设 计 工 况 分 析 zazzaa cAcAcA 222111G constp n constcc nzaza 11 111 ucc aa zzaza ucc 5.3 轴 流 压 气 机 相 似 准 则

5、的 应 用5.3 轴 流 压 气 机 相 似 准 则 的 应 用v应 用 一 ： 在 进 行 压 气 机 实 验 时 ， 运 用 相 似 理 论 来 减 少驱 动 压 气 机 运 转 所 需 要 的 功 率 。 5.3 轴 流 压 气 机 相 似 准 则 的 应 用1， 缩 型 实 验 uaq ，)( 0 )( 0001 aqTpKAG 11 111 1 Ap TGAp TG 211 lKAAGG v所 需 实 验 台 功 率 、 转 速 的 变 化（ 1） 确 定 相 比 较 的 对 象 ； （ 2） 相 似 准 则 的 选 取 ；（ 3） 确 定 相 比 较 的 截 面 。*1TDnKu

6、lkDDnn 111 1 *1 TDnKTDnK 5.3 轴 流 压 气 机 相 似 准 则 的 应 用2， 进 口 节 流 法 实 验 1 11 1 pTGpTG *1*1 PPGG 000 /,/ TnpTG v另 一 种 减 少 实 验 压 气 机 消 耗 功 率 的 办 法 是 关 小 压 气机 实 验 装 置 中 的 进 气 节 流 阀 ， 使 进 入 压 气 机 的 气 体 总压 降 低 ， 从 而 减 少 流 量 ， 减 少 消 耗 功 率 。（ 1） 确 定 相 比 较 的 对 象 ； （ 2） 相 似 准 则 的 选 取 ；（ 3） 确 定 相 比 较 的 截 面 。 5.3

7、 轴 流 压 气 机 相 似 准 则 的 应 用例 题 1、 风 扇 /压 气 机 缩 型 实 验v所 设 计 的 战 斗 机 用 小 涵 道 比 风 扇 ， 在 标 准 海 平 面 大 气条 件 下 ， 风 扇 流 量 为 105kg/s， 风 扇 压 比 为 2.2， 效 率 为0.88， 风 扇 直 径 900mm， 转 速 为 n=10500r/min。v（ 1） 进 行 缩 型 实 验 研 究 ， 相 似 准 则 必 须 满 足 哪 些 ？v（ 2） 如 果 实 验 台 动 力 功 率 最 大 仅 能 提 供 2000千 瓦 ， 按多 少 缩 型 比 进 行 实 验 研 究 比 较

8、适 宜 ？v（ 3） 实 验 台 动 力 必 须 达 到 的 转 速 是 多 少 ？ 5.3 轴 流 压 气 机 相 似 准 则 的 应 用求 解 ：v（ 1） 几 何 尺 寸 有 变 化 ， 因 此 其 相 似 准 则 应 是 5tt 102/DURe /adkLGP KWRTkkG kk 8717/)1(1 1*1 uaq ，)( 0 11 12 60/12 RTk knDRTk kUu 11 10)( PKATGq a同 时 必 须 满 足 雷 诺 数 大 于 2 105（ 2） 原 型 所 需 耗 费 的 功 率 为 ： 5.3 轴 流 压 气 机 相 似 准 则 的 应 用求 解 ：

9、（ 2） 缩 型 所 需 耗 费 的 功 率 为 ： KWRTkkGP kk 2000/)1(1 1*1 uMa211 lkAAGG 1.2lkltt kDDnn rpmn 22050 （ 3） 实 验 台 所 需 达 到 的 转 速 ：满 足 的 相 似 条 件 第 五 章 轴 流 压 气 机 性 能 特 性例 题 2、 进 口 节 流 法v若 例 题 1中 实 验 台 的 缩 型 比 采 用 1:2， 其 动 力 源 功 率仍 然 满 足 不 了 缩 型 实 验 的 要 求 ， 此 时 采 用 进 口 节 流法 的 相 似 准 则 是 什 么 ？ 进 口 总 压 下 降 10%的 时 候

10、实验 台 实 际 消 耗 功 率 是 多 少 ？ 5.3 轴 流 压 气 机 相 似 准 则 的 应 用求 解 ：（ 1） 在 几 何 尺 寸 不 变 时 ， 节 流 法 的 相 似 准 则 是 ： kkkkRTkkGP /)1(1 11节 流节 流 00 / pTG 0/ Tn KWKWP 19614/87179.0 节 流 （ 2） 节 流 后 所 需 耗 费 的 功 率 为 ：（ 3） 校 验 雷 诺 数 的 大 小 ！ 5.3 轴 流 压 气 机 相 似 准 则 的 应 用v应 用 二 ： 在 性 能 优 异 的 原 型 压 气 机 上 ， 运 用 相 似 理 论来 进 行 缩 放 、

11、 加 零 级 设 计 。1， 利 用 好 的 原 型 压 气 机 进 行 缩 放 设 计v一 台 性 能 良 好 的 多 级 压 气 机 可 以 按 相 似 准 则 进行 放 大 或 缩 小 ， 应 用 到 所 需 要 的 新 机 种 中 去 。v对 于 实 验 研 究 中 的 高 性 能 新 型 压 气 机 进 行 放 大 （ 由 于实 验 压 气 机 尺 寸 多 半 较 小 ） 就 可 应 用 于 新 机 种 。 5.3 轴 流 压 气 机 相 似 准 则 的 应 用2， 压 气 机 “ 加 零 级 ” 设 计v所 依 赖 的 相 似 准 则* *1 1* * 1 1 G T G TP P

12、 * *1 1 n nT T在 什 么 截 面 上 应 用 上 述 相 似 准 则 ？ 5.3 轴 流 压 气 机 相 似 准 则 的 应 用例 题 3、 压 气 机 加 零 级 设 计v我 院 研 制 的 WP11的 原 型 为 美 国 J69发 动 机 ， 该 发 动 机由 一 级 轴 流 压 气 机 和 一 级 离 心 压 气 机 组 成 ， 其 轴 流 压 气机 是 在 原 法 国 产 小 型 发 动 机 Marbore2上 “ 加 零 级 ” 而来 。v“加 零 级 ” 设 计 的 相 似 准 则 是 什 么 ？v如 果 要 把 WP11改 为 小 型 涡 扇 发 动 机 ， 请 问

13、 在 标 准 大气 进 口 条 件 下 ， 若 新 的 “ 零 级 ” 级 压 比 为 2.0、 效 率 为0.88时 ， 原 压 气 机 级 转 速 提 升 多 少 ？ 内 涵 空 气 流 量 能 增大 多 少 ？ 5.3 轴 流 压 气 机 相 似 准 则 的 应 用求 解 ：v（ 1） “ 加 零 级 ” 设 计 的 相 似 准 则 是 * *1 1* *1 1 G T G TP P * *1 1 n nT T 00 / pTG 0/ Tn在 什 么 截 面 上 应 用 如 下 等 式 ？问 ： 是 否 满 足 雷 诺 数 大 于 2 105？ 5.3 轴 流 压 气 机 相 似 准 则

14、 的 应 用求 解 ：（ 2） “ 零 级 ” 后 的 总 温 为 ： KTTT kk 351/)1( 11*11 * *1 1 n nT T nn 104.1 GG 81.1* *1 1* *1 1 G T G TP P满 足 相 似 准 则 所 需 达 到 的 新 转 速 、 流 量 ： 5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳v不 稳 定 工 况 的 分 类v压 气 机 非 稳 定 工 况 可 以 分 为 两 大 类 。 第 一 类 属 于 气动 弹 性 现 象 ， 这 时 叶 片 的 振 动 属 于 自 激 振 动 ，

15、 这 种 现象 被 称 之 为 颤 振 。 这 种 现 象 不 在 这 里 介 绍 。v第 二 类 是 单 纯 气 动 现 象 ， 它 也 会 激 发 叶 片 的 振 动 ， 但这 种 叶 片 振 动 性 质 属 于 他 激 振 动 。v第 二 类 非 稳 定 工 况 又 分 为 两 种 ： 一 是 旋 转 失 速 或 称 旋转 分 离 ； 另 一 种 是 喘 振 现 象 。 二 者 既 有 差 别 又 有 联 系 。 5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳一 ， 旋 转 失 速当 转 速 一 定 而 空 气 流 量 减 少 时 ， 就 会 引 起 转 子 动 叶 攻 角的 增

16、 加 。 空 气 流 量 减 少 到 一 定 程 度 就 能 观 察 到 不 稳 定 流 动 ，同 时 压 气 机 发 出 特 殊 叫 声 ， 振 动 也 增 大 。 在 转 子 后 测 得 的流 场 表 明 ， 有 一 个 或 多 个 低 速 气 流 区 以 某 一 转 速 沿 动 叶 旋转 方 向 转 动 ， 这 种 非 稳 定 工 况 被 称 为 旋 转 失 速 。 5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳v 旋转失速现象的经典解释 率 先 出 现 分 离 区 的 叶 片 前 面 出 现 了 明 显 的 气 流 阻 塞 现 象 ，受 阻 滞 的 气 流 区 使 周 围 的

17、流 动 发 生 偏 转 ， 从 而 引 起 左 面 叶片 攻 角 增 大 并 分 离 ， 同 时 引 起 右 面 叶 片 的 攻 角 减 小 并 解 除分 离 ， 因 而 分 离 区 相 对 于 叶 片 排 向 左 传 播 ， 即 相 对 转 子 叶片 按 照 叶 片 旋 转 方 向 相 反 的 方 向 转 动 。 站 在 绝 对 坐 标 系 上 观 察 ， 旋 转 失 速 团 以 比 压 气 机 转 速 为 低的 速 度 ， 和 压 气 机 旋 转 方 向 相 同 作 旋 转 运 动 。 5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳v失速的不同类型 有 些 情 况 下 ， 失 速

18、团 会 贯 穿 整 个 叶 高 ， 这 时 ， 失 速 团 通 常只 有 一 个 。 这 样 的 失 速 形 态 一 般 发 展 为 突 变 性 失 速 。 突 变型 失 速 较 多 地 产 生 在 轮 毂 比 较 大 的 压 气 机 中 ， 由 于 叶 片 短 ，旋 转 失 速 一 旦 产 生 就 可 能 波 及 整 个 叶 高 。 有 时 ， 失 速 团 有 多 个 ， 但 每 个 失 速 团 都 没 有 贯 穿 叶 高 。 其失 速 形 式 称 为 部 分 展 向 失 速 。 在 一 定 的 条 件 下 ， 渐 进 型 失速 也 可 以 发 展 为 突 变 型 失 速 。 5.4 压 气

19、 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳旋 转 失 速 的 主 要 特 征 ：v旋 转 失 速 时 ， 失 速 团 沿 压 气 机 周 向 运 动 ， 造 成 周 向 不 均 匀 流动 ， 流 场 是 非 轴 对 称 的 ；v渐 进 型 失 速 时 ， 随 流 量 降 低 ， 压 气 机 的 压 升 逐 渐 减 小 ；v突 变 型 失 速 时 ， 压 升 会 发 生 突 然 的 下 降 ；v旋 转 失 速 时 ， 其 气 流 脉 动 频 率 和 脉 动 振 幅 与 流 路 容 积 特 性 无关 ， 主 要 取 决 于 压 气 机 的 工 况 （ 轴 向 速 度 和 转 速 ） 。v危 害 ：

20、频 率 高 、 强 度 大 ， 叶 片 疲 劳 断 裂 。 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5-3000-2000-1000010002000 30004000-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5-3000-2000-100001000 200030004000 t 50 Hz Low Pass Filter on stall3_05315stall_point Pstj 05-3-15 (Channel) 5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳喘 振v什 么 样 的 不 稳 定 现 象 属 于 喘 振

21、？v压 气 机 的 一 类 气 动 失 稳 现 象 ， 其 流 量 和 压 升 具 有 周期 性 的 高 振 幅 振 荡 ， 时 而 体 现 为 非 失 速 的 正 常 流 动 ，时 而 表 现 为 低 流 量 低 压 升 的 失 速 流 动 。v喘 振 发 生 的 物 理 机 理v流 量 减 少 ， 攻 角 增 大 ， 叶 背 全 展 向 分 离 ；v进 出 口 流 量 调 节 的 不 匹 配v出 口 高 反 压 的 管 路 环 境v由 于 气 流 分 离 导 致 的 增 压 能 力 的 丧 失 ， 产 生 周 期 性 的 倒 流 、 解 除 分 离 、 正 常 流 动 、 分 离 、 再

22、倒 流 的 循 环 过 程 。 5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳喘 振 的 主 要 特 征v压 气 机 出 口 总 压 和 流 量 大 幅 度 的 波 动 ；v压 气 机 内 部 形 成 逆 向 的 轴 向 流 动 ；v发 出 音 调 低 而 沉 闷 的 放 炮 声 ；v非 常 强 烈 的 机 械 振 动 ； 转 速 不 稳 定 。 v喘 振 时 ， 其 气 流 脉 动 频 率 和 脉 动 振 幅 与 流 路 容 积 特 性相 关 ， 频 率 低 、 强 度 大 。v只 要 具 备 一 定 的 出 口 高 反 压 管 路 系 统 ， 旋 转 失 速 基 本上 会 成 为

23、喘 振 的 前 奏 。 5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳失 速 裕 度 的 定 义v流 量 稳 定 裕 度v增 压 比 稳 定 裕 度v综 合 稳 定 裕 度 的 定 义/. . 1 100%/ s sd dGS M G v对 于 航 空 发 动 机 用 的 压 气 机 ， 一 般 情 况 ， 在 设 计 转 速 下 ，压 气 机 失 速 裕 度 应 为 1520%左 右 。 5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳压 气 机 扩 稳 措 施 简 介（ 1） 气 动 设 计 中 的 扩 稳 措 施v重 点 是 考 虑 多 级 压 气 机 的 前 面 级 和

24、后 面 级v第 一 级 动 叶 宽 弦 设 计 、 机 匣 处 理 设 计 、 大 稠 度v末 级 宽 弦 设 计 、 大 稠 度 、 端 弯 设 计 、 组 合 叶 栅v各 级 设 计 攻 角 的 限 制v其 它 气 动 设 计 措 施 ： 如 边 界 层 吸 附 等 。 5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳v（ 2） 压 气 机 中 间 级 放 气 5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳v（ 3） 可 调 进 口 导 流 叶 片 和 静 子 叶 片 第 五 章 轴 流 压 气 机 性 能 特 性v（ 4） 双 转 子 压 气 机 工 作 原 理 5.4 压

25、 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳双 转 子 压 气 机 的 工 作 原 理v压 气 机 的 情 况v在 低 换 算 转 速 下 工 作 时 ， 压 气 机 的 前 面 级 正 攻角 增 大 而 后 面 级 攻 角 减 小 ， 可 能 出 现 前 喘 后 堵 。v涡 轮 的 情 况v在 低 换 算 转 速 下 ， 后 面 级 涡 轮 作 功 能 力 急 剧 下降 （ 或 明 显 下 降 ） ， 而 前 面 级 涡 轮 作 功 能 力 无 明显 下 降 。v双 转 子 发 动 机 的 优 点v可 以 在 宽 广 的 范 围 内 工 作 仍 保 持 较 高 的 压 气 机效 率 ； 自

26、动 防 喘 ； 容 易 起 动 等 。 5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳进 口 畸 变v为 什 么 会 产 生 进 口 畸 变 ？v大 迎 角 机 动 ， 如 Su37的 超 机 动 飞 行v飞 机 发 射 导 弹 ， 尾 气 进 入 进 气 道v近 距 空 战 中 多 机 缠 斗 产 生 的 不 均 匀 进 气 。 5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳进 口 畸 变v进 口 畸 变 对 压 气 机 性 能 特 性 的 影 响v对 增 压 能 力 、 流 量 的 影 响 导 致 推 力 下 降v稳 定 工 作 范 围 的 急 剧 下 降 有 可 能 导

27、致 推 力 丧 失v进 气 总 压 畸 变 、 温 度 畸 变 的 多 级 传 递 特 性 。 5.4 压 气 机 的 不 稳 定 工 况 与 扩 稳v进 气 畸 变 特 性 实 验v进 气 畸 变 的 模 拟v测 量 截 面 的 变 化v畸 变 图 谱 的 获 得v与 均 匀 进 气 特 性 的比 较 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2400800 12001600 2000 均 匀 来 流 畸 变 来 流 Q 0%100 nn 0%85 nn 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.20.450.500.550.600.650.700.750.800.850.90 均 匀 来 流 畸 变 来 流 Q 0%100 nn 0%85 nn