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轴流式压气机
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{| class="wikitable" align="right" |- | style="background: #FF2400" align= center| '''<big>轴流式压气机</big>''' |- |<center><img src=https://img1.baidu.com/it/u=454010952,966407867&fm=253&fmt=auto&app=120&f=PNG?w=910&h=380 width="300"></center> <small>[https://image.baidu.com/search/index?ct=201326592&tn=baiduimage&word=%E8%BD%B4%E6%B5%81%E5%BC%8F%E5%8E%8B%E6%B0%94%E6%9C%BA&pn=15&spn=0&ie=utf-8&oe=utf-8&cl=2&lm=-1&fr=&se=&sme=&cs=933874329%2C4083599422&os=2562132679%2C1989298572&objurl=https%3A%2F%2Fgimg2.baidu.com%2Fimage_search%2Fsrc%3Dhttp%3A%2F%2Fn.sinaimg.cn%2Fsinakd20211110ac%2F490%2Fw910h380%2F20211110%2Faa5f-2d39e54c8a4d9d02c0de4c55ba155f09.png%26refer%3Dhttp%3A%2F%2Fn.sinaimg.cn%26app%3D2002%26size%3Df9999%2C10000%26q%3Da80%26n%3D0%26g%3D0n%26fmt%3Dauto%3Fsec%3D1662277142%26t%3D17e61a729e4f13e258f20413ad28da98&di=7108135681917976577&tt=1&is=0%2C0&adpicid=0&gsm=78&dyTabStr=MCwzLDIsNCw2LDUsMSw3LDgsOQ%3D%3D 来自 呢图网 的图片]</small> |- | style="background: #FF2400" align= center| '''<big></big>''' |- | align= light| 名称:轴流式压气机 级数:在7〜22之间 |} '''轴流式压气机''',是气流基本平行于旋转叶轮轴线流动的压气机。轴流压气机是功率在1MW及以上的燃气轮机中使用最普遍的压气机[[类型]]。这类压气 机大多采用多级,级数在7〜22之间。 大部分的轴流压气机有一组位于第1级转子叶片前 面的进口导流叶片。一级轴流压气机包括一组转动叶片和跟随其后的固定扩散叶片。在最 后一级固定扩散叶片之后的一组固定叶片被称为排气导流叶片。 轴流压气机是涡扇发动机的核心部件。由于其涉及[[技术]]面广,研制难度大,一直是发动机研制中的瓶颈技术。<ref>[https://max.book118.com/html/2018/0624/6225133203001202.shtm 轴流式压气机轴流式压气机的工作原理],360搜索 , 2018年6月29日</ref> 1853年,法国科学院的Tournaire提出了多级 轴流压气机的概念,时隔30年后的1884年,进行 了[[世界]]上第一次轴流压气机试验。该试验简单地将 多级涡轮反转,效率极低。直至1904年,Charles Parsons才研制了真正意义上的轴流压气机,这台压 气机没有达到预定的压比,在设计点附近失速,效率 仅为50%~60%,但这是一个具有重要意义的起步。 20世纪30年代,美国NACA(NASA前身)和英 国 RAE(Royal Aircraft Establishment)开展了大量的 轴流压气机研究工作,研制了多种轴流压气机。其 中,1938年,RAE研制成功8级轴流压气机(Anne), 压比为2.4。50年代末,GE公司的J79发动机17级 压气机,压比为12.5。70~80年代,第三代战斗机动力上采用的压气机全面研制[[成功]],F110发动机9级 压气机压比达到9.7,RD33发动机的9级压气机压比 为7,F100发动机10级压气机总压比为7.8,这些压 气机的很多设计技术在今天仍然非常实用。1982年, GE公司的E3发动机10级压气机压比达到23。推重 比10发动机F119的6级高压压气机压比约为8。 90年代末,GE公司与艾利逊预研公司联合研 制的4级压气机达到了 F100发动机的10级压气 机同样的总压比,该压气机通过IHPTET计划得到 了验证。本世纪初,MTU公司成功地研制了 6级高 压压气机,总压比约为11,已被选为PW6000发动 机的高压压气机,这是这一量级的高负荷压气机首 次在发动机上得到应用,该项目还获得2002年德国 工业创新奖。 近年来,一些新的气动设计概念逐步应用于压气机设计,1998年[[麻省理工学院]](MIT) Kerrebrock提 出的3级吸附式压气机方案的压比达到了 27;2000 年,北航陈懋章院士作出了2级大小叶片压气机实 现压比6的方案。 从上述发展过程可以看出,压气机的级负荷在 不断增大,性能也在不断提高,而且近年来由于先进 技术的应用,轴流压气机的技术水平进入了跨越式 发展时期。 ==设计系统的发展== 一个世纪以来,伴随着气动热力学、计算流体力学的发展,轴流压气机的设计系统在不断进步,带动 着压气机设计水平的提高。 20世纪初采用螺桨理论设计叶片。20~30年代, 采用孤立叶型理论设计[[压气机]]。30年代中期开始, 由于叶栅空气动力学的发展和大量平面叶栅试验的 支持,研制了一系列性能较高的轴流压气机。50年 代开始采用二维设计技术,用简单径向平衡方程计 算子午流面参数,叶片由标准叶型设计。70年代,建 立了准三维设计体系,流线曲率通流计算和叶片-叶片流动分析是这一体系的基础,可控扩散叶型等 先进叶型技术得到应用。90年代初以来,以三维粘 性流场分析为基础的设计体系促进了压气机设计技 术的快速[[发展]]。 ==研制难度很大== 由于固有的逆压梯度、高度三维、高度非定常等 特点,压气机的研制难度很大。特别是多级高压压 气机,级间匹配和全工况下性能优化均很困难,尽管 设计体系在不断完善,但由于设计指标同时也在不 断提高,多级轴流压气机设计仍然是发动机的瓶颈 技术之一,一般需要多轮修改才能满足设计[[要求]]。 E3发动机是美国20世纪较成功的研究项目: GE公司的E3高压压气机研究经历了四轮才满足 核心机及发动机的要求。第一次试验了 10级压气 机的前6级,喘振裕度为6%,而设计要求为14%; 对修改设计后组装的第1台份10级压气机进行试 验,喘振裕度为11%(要求18%),效率为0.838(要 求0.86),没有达到要求;改进后的第2台份10级压 气机试验喘振裕度达到14%,但仍未达到要求的 18%;在此后修改的10级压气机才基本达到设计要 求。P&W公司研制的E3高压压气机第一台份也 未达到要求,试验喘振裕度为12.6%(要求20%),效 率为0.851(要求0.865),而修改后的第2台份的 [[试验]]结果未见报道。 资料表明:罗罗公司的喘达800发动机低压压 气机进行了6台试验件试验,用于改善中间转速喘 振裕度、提高高转速效率、研究叶尖间隙对效率和喘 振裕度的影响、研究机匣处理和容腔对效率和喘振 裕度的影响、适应发动机要求修改等。近年来的一个 典型例子是,PAW公司设计的PW6000压气机没有 达到预定[[目标]],PW6000发动机只得改用MTU公司 的6级高压压气机。 我国的多级轴流压气机研制与国外先进发动机 公司相比,由于缺少工程实用的设计规范和大量试 验数据的支持,更多地依赖个人经验和判断,设计的 不确定度更大。 ==基本工作原理== 轴流压气机由多级组成,每一级包含一排转子叶片和随后的一排静子叶片。工质首先由转子叶片加速,在静子叶片通道减速,将转子中的动能转变为静压能,该过程在多级叶片中反复进行,直到总压比达到要求为止。 在压气机中,气流总是处于逆压力梯度状态,压比越高,压气机设计越困难。在转子和静子叶片通道内,气流流动由一系列的扩散过程组成:虽然在转子叶片通道中,气流的绝对速度有所增加,但是气体相对于转子的流速却减小了,也就是说,转子通道内也为扩散流动。叶片通道截面的变化要适应气流的扩散[[过程]]。每一级中气流扩散程度有限,意味着压气机每一级的压比有限。而涡轮为顺压力梯度,气流在收敛叶片通道内加速(见图2),因此,单级压气机的增压比较单级涡轮的落压比要小得多,这就是单级涡轮可以驱动多级压气机的原因。 根据气动力学和试验结果来详细设计压气机叶片是非常必要的,这样做不仅仅是为了减少损失,还为了尽量减少失速发生。失速现象在轴流压气机中十分普遍,尤其在压比较高时,失速问题更为明显。对于叶型来说,当气流方向和叶片角度差(也就是攻角)过大时,就会发生失速现象。压气机中,压力梯度与气流流动[[方向]]相反,不利于气流稳定流动,当流量和转速偏离设计值时,就容易发生逆流现象。 图1所示的压气机有进口导流叶片(IGV),引导气流进入第1级压气机。许多工业发动机的压气机进口导流叶片角度是可调的,随着转速的变化而调节,从而改变进入压气机第一级的气流角度,以改善非设计状态性能。可是,大多数的飞机发动机都取消了进口导流叶片,其目的主要是为了获得更高的单位[[面积]]流量、更轻的发动机重量,并且还有益于降低噪声和提高防冰性能。 图1表明,高压比压气机从前往后叶片尺寸变化明显。这是由于设计者总是希望气流以近似恒定的轴向速度通过压气机,然而,随着气流向后流动,气体密度增加,需要减小流通面积,导致叶片尺寸减小。当发动机转速低于设计转速时,后面级气流的密度将远离设计值,气流轴向速度变得不恰当,从而导致气流失速和压气机喘振。解决该问题有几种[[方法]],但都会导致结构更加复杂。罗·罗公司和普·惠公司的方案是采用多转子结构,而GE公司优先采取的是可调静子叶片结构。图1所示为GE公司的一个压气机,其进口导流叶片和前6级静子是可调的。对于涡扇发动机来说,风扇和压气机的直径差异特别大,需要采用多转子结构。普·惠公司和GE公司采用了双转子方案,但罗·罗公司采取的是三转子方案。另外一种方案是使用放气阀门,在一些先进发动机上,有时需要综合采用以上所有方案。在设计工作的初期就需要充分考虑压气机在非设计工况的性能,这一点尤其重要。 早期的轴流压气机,都是亚声速型,必须采用翼型截面造型才能获得高效率。大流量、高压比的[[压气机]]的设计需求导致马赫数增加,尤其是第一级转子叶片的尖部。最终采用了跨声速压气机(即叶片的某一高度以上的气流速度超过声速)来解决这个问题。研究认为,对跨声速叶片最有效的方法是采用圆弧截面叶型,常用的是双圆弧叶型。随着马赫数进一步增大,抛物线叶型叶片效率更高。高性能压气机已不在采用翼型截面了。 ==组成与功能== 轴流压气机(如图3所示)由转子和静子组成,其中转子由轮盘、轴和装在轮盘上的转动叶片组成;静子由机匣与装在它上面的静子叶片排组成。转子和静子前后交错排列构成全台压气机。 轴流压气机属叶轮机械。它是航空燃气涡轮发动机的重要部件,其[[功能]]是对流入的气体加功增压,即对流入的气体加入机械能作压缩功以提高气体的压力。 ==设计过程== 压气机的完整设计过程包括以下几个步骤: (1)确定转速和流道[[尺寸]]。 (2)给定效率,确定压气机级数。 (3)计算每一级平均半径处的气流角。 (4)确定从叶根至叶尖的气流角变化。 (5)压缩效应[[研究]]。 (6)根据叶栅试验数据选择压气机叶型。 (7)使用叶栅数据,核查之前假定的[[效率]]。 (8)评估非设计点[[性能]]。 (9)台架试验。 == 参考来源 == <center> {{#iDisplay:g035334lde8|480|270|qq}} <center>Team 3 多级轴流式压气机的设计、分析与制造</center> </center> == 参考资料 == [[Category: 970 技藝總論]]
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