轴流压气机设计
压气机是航空发动机的核心部件，压气机内部流场存在很大的逆压梯度，有着高度的三维性、粘性及非线性和非定常性，而多级压气机还存在复杂的级间匹配，这些都使得压气机的设计难度很大，一直是发动机研制中的瓶颈技术。
一、压气机设计方法的发展
一个世纪以来，伴随着气动热力学和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，叶片由标准叶型进行设计；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开始得到应用；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。
风扇/轴流压气机的设计体系以流动的物理模型发展为线索，以计算能力的高速发展为推动力，大致经历了一维经验设计体系、二维半经验设计体系、准三维设计体系、三维设计体系四个阶段。并正在朝着压气机时均（准四维）和压气机非定常（四维）气动设计体系发展。
目前的压气机的设计体系大致可以分为四个阶段：初始设计、通流设计、二维叶型设计、三维叶型设计。
二、压气机设计体系
1.初始设计
这是一个建立压气机的基本轮廓的阶段，根据给定的流量、压比、效率、稳定裕度等参数，来确定压气机级数、级压比、效率、子午面流道、各排叶片数等，并可以进一步可估算重量。而且整体设计的决策还要统筹风险、技术水平、时间和花费等。
初始设计主要依据一维平均流线计算程序进行计算，在给定设计点流量、压比、转速及转子进口叶尖几何尺寸的条件下，可确定压气机级数、轴向长度、并且优化载荷轴向分布，得到设计点在平均半径处的速度三角形和各级平均气动参数。初始设计阶段包括压气机主要参数的确定以及同其它部件的协调，并且为S2流面计算提供初始流道几何尺寸。而这个程序主要依赖于经验以及以往积累的数据库。
初始设计它是方案设计中的基础阶段，不管计算流体动力学如何发展，该设计过程仍是压气机设计中不可缺少的一部分。正是这个部分是整个设计过程中最重要的部分，因为如果在这里发生了基本的错误，之后就无法通过优化或者其他改变来纠正这一情况，压气机基本结构设计出现错误会带来严重的后果。
2.通流设计
通流设计根据叶片扭向设计规律，采用S2流面流场计算方法，分析并确定各排叶片进出口速度三角形及各排叶片匹配关系。
S2流面气动计算一般采用流线曲率法，求解S2平均流面上的完全径向平衡方程。最初的压气机通流设计计算采用忽略流线坡度和流线曲率的“简化径向平衡方程”获取叶片设计需要的速度三角形，这种方法在低压比的压气机设计中起着基本的作用。后来发展了考虑流线坡度和流线曲率影响的“完全径向平衡方程”和S2流面理论，使压气机的设计计算结果更加准确，特别是针对跨音速流也促进了压气机性能的提高。不过，直到上世纪80年代，由于理论和数值计算方法的原因，通流设计求解方法都是在忽略了气流粘性的影响的简化方程下完成。随着压气机设计的实践的深入和计算方法的发展，上世纪80年代开始在压气机
通流设计方法中引入粘性的影响，发展了考虑紊流径向掺混和二次流动的一系列理论和方法，并在压气机设计中成功应用。
流线曲率法的计算中，损失和落后角模型都可以由经验公式给出。S2气动计算是对一维气动计算结果的进一步细化设计，通过调整沿叶高的环量分布，调整速度三角形沿叶高的变化规律，而沿叶高的效率或者损失的分布由经验模型给定。S2气动计算后，基本上确定了压气机子午流道几何尺寸及叶片前后缘的轴向位置、各级的压比、叶片前后缘速度三角形及扩散因子沿叶高的变化。
目前对于流道一些优化方法主要有子午流道收缩，非轴对称端壁，气封几何优化，机匣处理槽优化等。
子午流道收缩是指采用一种渐缩的子午面型线，使该处流动的收敛性增强，在局部减少了扩压程度，使这里的端壁二次流减弱。这对小展弦比叶片比较有效。
非轴对称端壁的基本设计思想是近压力面端壁为凸出面，迫使这里流动加速，压力降低，近吸力面为凹入面，迫使这里流动减速，压力提高。以此来改变端壁区压力分布，减少端壁区的横向二次流动，减少损失。
气封间隙泄漏对压气机效率和喘振裕度都有不小的影响，但是气封泄漏流动非常复杂，再加上其特殊的结构和位置，使得试验和数值研究都存在较大的困难。因此，相关的研究开展不多。在实际的设计中，气封的几何参数设计多是基于工程人员的经验，有关对气封优化来削弱气封间隙流，减少气封泄漏损失的优化思想至今并不明确。
机匣处理是在压气机设计完成后为了弥补喘振裕度不够而采取的补救措施。目的是改善叶顶区流动，增加喘振裕度。
3.二维叶型设计、三维叶型设计
叶型设计包括二维叶型设计和三维叶型设计，根据通流计算所得叶片排进出口沿径向速度三角形，进行S1流面叶型设计，并径向积叠构成三维叶片。
压气机叶型的设计是压气机气动设计中最核心的部分。早期的压气机叶型设计大多依赖建立在由吹风得出的“系列”标准叶型之上，十多级的压气机实现的增压比只能在4-6，级负荷水平极低，对于来流马赫数超过0.85的跨音速气动布局也视为禁区。后来出现了双圆弧叶型方法，在来流跨音的情况下实现了较高性能的压气机设计，这一突破包括后来能够用于超音速来流的多圆弧叶型方法，立即提升了压气机的级负荷和性能，压气机的级数得到极大减少，或相同级数压气机实现的压比得到极大提升。其后又发展了定制叶型、可控扩散叶型、任意中线叶型及反问题设计叶型等，这些新叶型方法进一步提高了压气机的性能。
压气机叶型设计的设计方法大体上分为反问题方法、正问题方法、正反混合问题和优化设计方法。
反问题方法需要设计者给定叶型表面的压力或速度分布，反求得到叶型几何。反问题方法得到的叶型必然满足给定的叶型表面气流参数分布。这一方法不需要在设计和改进之间往复迭代，效率较高。但是，反问题方法存在着自身的缺点。一是叶型表面的目标气动参数分布（压力或速度）给定和初始叶型选择比较依赖于设计者的经验。无法保证给定的气动参数在相应的边界条件约束下一定有解。因此，有时候可能会得到负厚度或前尾缘不封闭这样的非物理叶片，同时叶型表面的最优的目标气动参数，即压力或速度分布很难给定。总的来看，反问题设计在二维叶型设计方面虽然存在一些问题，但在设计方法上已经比较成熟。
正问题方法通常是基于一个初始选定的标准叶型，通过试验或数值方法获得内部流动参数，判断是否满足设计要求。在不能满足设计要求时，根据设计人员已有的设计经验对叶型设计进行反复修改，最终获得满足气动设计要求的叶型。正问题方法对叶型的修改主要依靠设计者经验和判断，具有一定的盲目性，反复的修改设计需要花费大量时间，并目很难得到最优叶型。
正反混合问题，简单地说就是在叶栅地一部分区域内是正问题，在另一部分区域内是反问题。也就是说，已知叶型部分几何尺寸，其它部分则给定叶型表面的压力或速度分布，通过计算得出未知部分的几何外形。
优化设计方法是近年来发展起来的一个新方法，它特指在设计中引入优化算法进行最优化搜索，实现自动寻找满足优化目标的最优几何或气动参数。该方法既可以是基于正问题设计，也可以是基于反问题的设计，或者混合问题设计方法，适用于压气机的二维和三维叶型优化设计。
压气机叶片的参数化造型也同样二维叶型的参数化和三维积叠线的参数化。对二维叶型由Bezier曲线、B样条曲线、NURBS曲线等直接表达吸力面和压力面几何形状，或表达中弧线和厚度分布来构造二维叶型几何。对叶片积叠线的参数化表达方法也有两种，一是基于弯、掠和扭等的有限自由度设计，采用直线或结合简单二次曲线表达的积叠线。该表达方法比较直观，设计变量少，变量之间相关性弱，比较容易进行优化求解。另一类是基于Bezier曲线、B样条曲线、NURBS曲线的积叠线参数化表达。该方法自由度大，对弯、扭等的表达不直观，同时设计变量较多。
在优化算法方面的进展，具有局部搜索寻优能力的优化算法，包括梯度法，单纯形法，响应面法等，和具有全局搜索能力的优化算法，如遗传算法和模拟退火算法。这两种算法在压气机优化设计中均有采用。不过从发展趋势上看，全局搜索的优化算法更受欢迎，特别是具备强大搜索能力的遗传算法的应用最为普遍。
三、压气机设计研究面临的主要问题
近十年以来，国际上风扇/压气机设计技术发展很快，主要体现在级负荷越来越高，重量越来越轻。在级负荷不断提高的条件下，效率指标也作到了稳中有升。为了提高级负荷、减小级数，同时又不牺牲压气机的效率、喘振裕度等性能指标，风扇/压气机的设计出现了很多新的、行之有效的设计思想。
但是，同时还面临着一些困难，主要问题如下：
1.压气机优化设计问题存在高度复杂性，涉及到多学科多领域的相关知识，优化设计结果的可靠性受到优化设计思想、数值方法、参数化造型方法以及优化算法的影响，要考虑各个影响因素，做到统筹兼顾非常困难，需要长期的深入研究。
2.叶片的参数化造型设计，变量很多，达到几十甚至上百个，这使得设计解空间变得异常的巨大，给下一步的优化搜索带来很大的困难。如何根据压气机内的不同流动结构的相应损失特点，抓住优化设计的主要矛盾，提取关键设计变量和对设计变量进行合理约束，减少优化设计的计算成本还需要深入研究。
3.在优化算法方面，搜索效率、优化求解质量始终是一对矛盾。由于压气机优化设计问题，具有高度复杂性、非线性和多峰性，需要使用全局优化方法。但是全局的优化算法，比如具有很强的搜索能力的遗传算法，其搜索效率不高。这就需要根据压气机优化问题的特点，对优化算法进行改进，引入合理的约束和简化，以期能够提高搜索效率。
4.叶片排之间的匹配特性对多级轴流压气机的效率与喘振裕度影响很大，因此，考虑多级环境，开展多级优化设计研究是非常必要的。但是多级优化问题具有高度复杂性，多级会带来设计变量数目的成倍增加，而由于优化问题的规模跟设计变量数目成指数关系增长，当级数达到某一数目后，优化问题规模可能会大到无法求解。因此，针对多级轴流压气机优化问题，非常需要发展适合于多级优化问题的算法来保证多级优化的可靠性和效率。
进口、收缩器、导向叶片（导叶）、动叶片、转子、扩压器、出口 增压原理：伯努利方程，气体从进口流入压气机，经收缩器时流速得到初步提高，进口导向叶片使气流改为轴向，同时还起扩压管的作用，使压力有所提高。转子在外力作用下作高速转动，固装在转子上的动叶片推动气流，使气流获得很高的流速。高速气流进入导叶（静叶），气流动能降低而压力升高，相邻导叶叶片间的通道相当于一个扩压管。气体流经每一级连续进行类似的过程，使气体压力逐渐升高 伯努利方程：理想正压流体在有势体积力作用下作定常运动时，运动方程（即欧拉方程）沿流线积分而得到的表达运动流体机械能守恒的方程。因著名的瑞士科学家 D.伯努利于1738年提出而得名。对于重力场中的不可压缩均质流体，方程为: 式中p、ρ、v分别为流体的压强、密度和线性速度；h为铅垂高度；g为重力加速度；c为常量。 上式各项分别表示单位体积流体的压力能p、重力势能ρgh和动能(1/2)*ρv ^2，在沿流线运动过程中，总和保持不变，即总能量守恒。但各流线之间总能量（即上式中的常量值）可能不同。对于气体，可忽略重力，方程简化为p+(1/2)*ρv ^2=常量(p0)，各项分别称为静压、动压和总压。显然，流动中速度增大，压强就减小；速度减小，压强就增大；速度降为零，压强就达到最大(理论上应等于总压)。飞机机翼产生举力，就在于下翼面速度低而压强大，上翼面速度高而压强小，因而合力向上。据此方程，测量流体的总压、静压即可求得速度，成为皮托管测速的原理。在无旋流动中，也可利用无旋条件积分欧拉方程而得到相同的结果但涵义不同，此时公式中的常量在全流场不变，表示各流线上流体有相同的总能量，方程适用于全流场任意两点之间。在粘性流动中，粘性摩擦力消耗机械能而产生热，机械能不守恒，推广使用伯努利方程时，应加进机械能损失项[1]。
收稿日期:2005-06-09;修订日期:2005-12-22 作者简介:伊卫林(1978-),男,满族,黑龙江宁安人,哈尔滨工业大学博士生.文章编号:1001-2060(2006)02-0140-05 轴流压气机叶片优化设计 伊卫林,黄鸿雁,韩万金 (哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘要:开发了基于梯度法的数值优化程序,并与三维粘性流场求解程序相结合对跨音压气机动叶片进行了以绝热效率最大为目标的三维气动优化设计。先对其进行了沿弦长方向掠设计,绝热效率可提高约0.65%。再对所得掠叶片进行叶型中弧线优化设计得到最终叶片,与初始叶片相比绝热效率提高达1.05%。优化结果表明,动叶片的单纯掠型叶片改进气动性能有限,而弦向掠与中弧线的联合优化设计可以显著改善叶片排内流动状况,并具有良好的变工况性能。 关键词:压气机;掠动叶;中弧线;N-S方程;优化设计中图分类号:TK474.8文献标识码:A 1引言 叶轮机械内部流动包含有边界层分离、二次流、旋涡以及激波与边界层相互干扰等复杂现象。跨音压气机中的三维激波结构是流动损失的主要根源,因此如何控制激波的位置与强度是提高压气机性能的主要因素之一。Wadia和Denton等人都曾对掠叶片进行过深入研究[1~2],并证明采用掠叶片可以改变跨音压气机动叶中的三维激波结构。叶型中弧线对压气机叶片气动性能也有显著影响,与叶片流道内激波产生的强度与分布以及附面层的分离状态都密切相关。可以推测,积叠线形状的空间变化只能在一定程度上改善内部流动状况,再配以合适的叶型必定能进一步提高压气机工作性能。 随着计算速度的提高及CFD三维流场求解精度的完善,基于N-S方程的全三维流场数值模拟用于叶轮机械气动设计成为可能。近年来,梯度法、遗传算法、模拟退火算法和响应面法等数值优化算法广泛应用于叶轮机械优化[3~6]。但是由于遗传算法和模拟退火算法的耗时性,使其无法应用于工程实际,响应面方法虽然简单、省时,但需要较多的人工操作,尤其是前期的样本如果选取不好,将在很大程度上破坏其寻优能力。因此,在叶轮机械优化设计中梯度法的应用仍最为广泛。 为了研究掠及相应叶型变化对压气机气动性能的影响,本文采用常规H型网格生成程序、基于雷诺平均N-S方程的全三维流场模拟程序和基于梯度法的数值优化程序,对某跨音压气机动叶进行优化设计。 2控制方程及数值方法 采用有限体积法求解圆柱坐标系下的雷诺平均N-S方程。空间求解采用二阶精度的中心差分格式加二阶、四阶人工粘性项,时间方向求解采用四步Ronger-Kutta格式。湍流模型为壁面函数修正的B -L模型,采用隐式残差光顺、局部时间步及多重网格等加速收敛技术,计算中采用两重网格,使程序具有较快的收敛速度,尤其适用于数值优化设计。网格采用常规H型网格,网格数为41@145@41。此种网格生成方法简单,在数值优化过程中,由于其参数为随机选择过程,如果网格生成质量不高,极易出现畸形网格,从而导致优化过程无法继续。本文采用的网格生成程序则没有出现这一情况。 3叶型参数化表达 在叶型的气动优化设计中,需要对其进行参数化表达,以便采用尽可能少的设计变量来控制叶片形状。另外还必须保证叶片型线曲率的光滑分布。控制点类曲线可以很好地解决这些问题。本文采用5个控制点的3次B样条曲线分别对25%、50%、75%叶高的叶型中弧线进行参数化表达,图1为25%叶高示意图。对于每个叶型以中弧线的首末端点为两控制点,并保证其在设计过程中不变,其余3个控制点为设计变量沿叶型型线垂直方向变化,这样既可以有 第21卷第2期2006年3月 热能动力工程 JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER Vol.21,No.2 Mar.,2006
轴流压气机设计 压气机是航空发动机的核心部件，压气机内部流场存在很大的逆压梯度，有着高度的三维性、粘性及非线性和非定常性，而多级压气机还存在复杂的级间匹配，这些都使得压气机的设计难度很大，一直是发动机研制中的瓶颈技术。 一、压气机设计方法的发展 一个世纪以来，伴随着气动热力学和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，叶片由标准叶型进行设计；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开始得到应用；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。 风扇/轴流压气机的设计体系以流动的物理模型发展为线索，以计算能力的高速发展为推动力，大致经历了一维经验设计体系、二维半经验设计体系、准三维设计体系、三维设计体系四个阶段。并正在朝着压气机时均（准四维）和压气机非定常（四维）气动设计体系发展。 目前的压气机的设计体系大致可以分为四个阶段：初始设计、通流设计、二维叶型设计、三维叶型设计。 二、压气机设计体系 1.初始设计 这是一个建立压气机的基本轮廓的阶段，根据给定的流量、压比、效率、稳定裕度等参数，来确定压气机级数、级压比、效率、子午面流道、各排叶片数等，并可以进一步可估算重量。而且整体设计的决策还要统筹风险、技术水平、时间和花费等。 初始设计主要依据一维平均流线计算程序进行计算，在给定设计点流量、压比、转速及转子进口叶尖几何尺寸的条件下，可确定压气机级数、轴向长度、并且优化载荷轴向分布，得到设计点在平均半径处的速度三角形和各级平均气动参数。初始设计阶段包括压气机主要参数的确定以及同其它部件的协调，并且为S2流面计算提供初始流道几何尺寸。而这个程序主要依赖于经验以及以往积累的数据库。 初始设计它是方案设计中的基础阶段，不管计算流体动力学如何发展，该设计过程仍是压气机设计中不可缺少的一部分。正是这个部分是整个设计过程中最重要的部分，因为如果在这里发生了基本的错误，之后就无法通过优化或者其他改变来纠正这一情况，压气机基本结构设计出现错误会带来严重的后果。 2.通流设计 通流设计根据叶片扭向设计规律，采用S2流面流场计算方法，分析并确定各排叶片进出口速度三角形及各排叶片匹配关系。 S2流面气动计算一般采用流线曲率法，求解S2平均流面上的完全径向平衡方程。最初的压气机通流设计计算采用忽略流线坡度和流线曲率的“简化径向平衡方程”获取叶片设计需要的速度三角形，这种方法在低压比的压气机设计中起着基本的作用。后来发展了考虑流线坡度和流线曲率影响的“完全径向平衡方程”和S2流面理论，使压气机的设计计算结果更加准确，特别是针对跨音速流也促进了压气机性能的提高。不过，直到上世纪80年代，由于理论和数值计算方法的原因，通流设计求解方法都是在忽略了气流粘性的影响的简化方程下完成。随着压气机设计的实践的深入和计算方法的发展，上世纪80年代开始在压气机
航空发动机原理
压气机的工作原理 根据气流在压气机的流动方向，可将压气分为两大类，气流沿离开叶轮中心方向流动的叶做离心式压气机；气流沿与叶轮轴平行方向流动的叫做轴流式压气机。此外还有轴流式与离心式压气机混合而成的混合式压气机。目前使用最广泛的是轴流式压气机，以下将作重点介绍。 轴流式压气机的基本组成，由静子和转子组成。静子由多排叶片组成，这些叶片叫做整流叶片，由一排流叶片组成的圆环叫做整流环，各整流环固定在机匣上。转子由多排叶轮组成，每一排叶轮上固定了许多工作叶片，压气机叶轮最终能过叶轮轴与涡轮的工作叶轮轴相连，并由涡轮带动高速旋转。 轴流式压气机的叶轮和整流环是交错排列的。一个叶轮和后面相邻的整流环构成了压气机的一级。单级压气机增压比不高。一般约为1.2-1.8。为了得到更高的增压比，目前用在民航机上的涡扇发动机的轴流式压气机级数常为10-20级，压气机增压比高达30-40。 有些轴流式压气机的进口安装了一排固定的导流叶片，它们所组成的圆环叫做导流环。空气在压气机中的流动 从进气道流入压气机的空气，首先流过导流环，然后依次流过各级的叶轮和整流环，最后从末级整流环流出进入燃烧室。由于空气在压气机中的流动较为复杂，同时气流在不同半径叶片通道内的流动大体相仿，为了便于分析，我们假想用一条通过各级叶轮平均地半径处的直线绕叶轮旋转，来切割叶轮和整流环叶片，得到压气机——“基本级”，每级压气机可看成是很多基元级相叠加而成。
所以空气在基元级中的流动可看成压气机工作的缩影。把所得到的基元级切片在平面上展开，就得到——平面叶栅图形。 目前大多数航空燃气轮机都采用轴流式压气机，只有小功率、小流量的涡轴和涡浆发动机上才采用离心式压气机。在20世纪40年代末和50年代初、涡喷发 动机也曾采用离心式压气机。 离心式压气机由导流器, 叶轮, 扩压器, 导气管等部分组成，叶轮和扩压器是其中两个主要部件。导流器：安装在叶轮的进口处，其通道是收敛形的使气流以一定方向均匀进入工作叶轮, 以减小流动损失，空气在流过它时速度增大,而压力和温度下降。叶轮：是高速旋转的部件，叶轮上叶片间的通道是扩张形的，空气在流过它时, 对空气作功, 加速空气的流速, 同时提高空气的压力。扩压器：位于叶轮的出口处，其通道是扩张形的，空气在流过它时将动能转变为压力位能，速度下降, 压力和温度都上升。导气管：使气流变为轴向, 将空气引入燃烧室。 离心式压气机属于叶片机械，其工作原理是以高速气流与工作叶轮和固定叶片的相互动力作用为基础，与容积式压气机相比离心式压气机的优点是：消耗同样的功率时，比容积式压气机的效率高，并能得到较高的增压压力，一般能达到0.147～0.196MPa以上；结构简单紧凑，重量轻，金属消耗量少。目前离心式压气机在内燃机增压方面获得广泛的应用。离心式压气机的缺点是随着转速的降低，增压压力便急剧下降。空气经滤清器进入气道，进气道的断面沿气流方向逐渐缩小，以便提高气流的稳定性。进气道一定要能保证在流动损失为最小的情况下，把空气均匀地导向工作轮。工作轮装装花链轴上，尺寸小的可安装在光轴上。工作轮可由曲轴通过机械驱动，也可直接由涡轮机驱动。 空气沿进气道进入工作轮随工作轮一起旋转，受到离心力的作用沿着工作轮上叶片所构成的通道流动，使空气受到压缩，这时压力从P1增加到P2，气流速度从c1增加到c2，驱动工作轮的机械功转化为空气在工作轮中获得的动能，和以压力形式表现的势能。工作轮出口处的功能一般为气流总能量的一半，因此，
第三章 轴流压气机的工作原理 压气机是燃气涡轮发动机的重要部件之一，它的作用是给燃烧室提供经过压缩的高压、 高温气体。根据压气机的结构和气流流动特点，可以把它分为两种主要型式：轴流式压气机 和离心式压气机。本章论述轴流式压气机的基本工作原理，重点介绍压气机基元级和压气机 一级的流动特性及工作原理。 第一节 轴流压气机的增压比和效率 轴流式压气机由两大部分组成，与压气机旋转轴相联接的轮盘和叶片构成压气机的转 子，外部不转动的机匣和与机匣相联接的叶片构成压气机的静子。转子上的叶片称为动叶，静子上的叶片称为静叶。每一排动叶（包括动叶安装盘）和紧随其后的一排静叶（包括机匣）构成轴流式压气机的一级。图3－1为一台10级轴流压气机，在第一级动叶前设有进口导流 叶片（静叶）。 图3－1 多级轴流压气机 压气机的增压比定义为 ***=1p p k k π （3－1） *k p ：压气机出口截面的总压；*1p ：压气机进口截面的总压；*号表示用滞止参数（总参数）来定义。 依据工程热力学有关热机热力循环的理论，对于燃气涡轮发动机来讲，在一定范围内， 压气机出口的压力愈高，则燃气涡轮发动机的循环热效率也就愈高。近六十年来，压气机的 总增压比有了很大的提高，从早期的总增压比3.5左右，提高到目前的总增压比40以上。 图3－2 压气机的总增压比发展历程
压气机的绝热效率定义为 ** *=k adk k L L η （3－2） 效率公式定义的物理意义是将气体从*1p 压缩到*2p ，理想的、无摩擦的绝热等熵过程 所需要的机械功* adk L 与实际的、有摩擦的、绝热熵增过程所需要的机械功k L * 之比。 p 1*p k *1k ad k L *k L *ad k s h * 图3－3 压气机热力过程焓熵图 由热焓形式能量方程（2－5）式、绝热条件、等熵过程的气动关系式)1(1 1)(k k adk adk p p T T -****=和R k k c p 1 -=可以得到 )1(1)(111--=-=-****k k k adk p adk RT k k T T c L π （3－3） )1(1)(1 11--=-=******T T RT k k T T c L k k p k （3－4） 将（3－3）和（3－4）式代入到（3－2）式，则得到 11 11--=**-**T T k k k k k πη （3－5） 效率公式（3-5）式可以用来计算多级或单级压气机的绝热效率，也可以用来计算单排 转子的绝热效率，只要*k p 和*k T 取相应出口截面处值即可。压气机静子不对气体作功，静子 的性能不能用效率公式（3-5）式衡量，静子的气动品质用总压恢复系数*23σ反映，*23σ＝ p *静子出口/ p * 静子进口 。 压气机的效率高，说明压缩过程中的流阻损失小，实际过程接近理想过程。或者说， 压气机效率愈高，达到相同增压比时，所需要外界输入的机械功愈少。目前，单级轴流压气 机的绝热效率可以达到90％以上，高增压比的多级轴流压气机的绝热效率也可以达到85％ 以上。
一、轴流式压缩机简介 轴流式压缩机是属于一种大型的空气压缩机它是由3大部分组成，一是以转轴为主体的可以旋转的部分简称转子，二是以机壳和装在机壳上的静止部件为主体的简称定子（静子），三是壳体、密封体、轴承箱、调节机构、联轴器、底座和控制保护等组成。 轴流压缩机主要是由机壳、叶片承缸、调节缸、转子、进口圈扩压器、轴承箱、油封、密封、轴承、平衡管道、伺服马达、底座等组成。 轴流式压缩机的静叶可调机构和带动该机构的中间气缸，机壳是标准化的同一种型号不同级数的机壳，进排气缸是一样的，不同级数机身长度的改变组合木模来实现，当级数不用时，除轴向长度不同外，其它所有结构都一样。主轴都是为镍铬合金钢，叶片材料为铬不锈钢，静叶内缸结构尺寸、轴封、密封、联轴器级轴流式压缩机的附属设备、润滑油系统、控制系统、保护系统都是非常智能型的。前6级的反动为百分之70，以后几级的反动向为百分之100。 压缩机底座由钢板焊接而成，压缩机本体重量通过下壳体的支腿，支撑在底座的4个支柱上，下机壳与底座上的支座间有定位及导向结构，整个轴流式压缩机的重量支撑在4个支柱上，其低压侧的2个支柱与机壳支腿的上下面做成球面的，支柱与支腿之间的间隙因此允许机器低压侧在各个方向上摆动以适应受热膨胀。定子的死点在高压侧，所以高压侧的支柱不允许机器的高压侧轴向移动，只允许在垂直于轴的横向移动。为了保持轴孔的水平高度不变，高压侧的2个支柱为特殊材料做成，不会因受热而伸长。
当我们启动轴流式压缩机后，空气从压缩机过滤器中进入，同时产生的噪声会沿着进气口传出，然后经过整流栅使吸入的气流稳定，为隔离压缩机对吸气管道的机械震动、降低噪音，同时补偿压缩机的热膨胀位移，也利于压缩机检修时设备对中调整，在压缩机与吸入气管道的连接处配置了柔性补偿器。采用柔性合成胶材料，其耐温以产生逆流时的风温，经过进气节流阀来控制压缩机启动带来的阻力，当压缩机运行稳定后，压力值上升到指定时。进气调节阀开始关闭，放空阀动作卸掉内部多余的气压。 二、轴流压缩机的基本工作原理 图1－5为轴流压缩机的构造示意图。在压缩机主轴上安装有多级动叶片，整个通道由收敛器、进口导流叶片、各级工作叶片（动叶片）和导流叶片、扩压器等组成。气体由进口法兰流经收敛器10，使进人进日导流叶片1的气流均匀，并得到初步的加速。气流流经进口导叶叶片间的流道，使气流整理成轴向流动，并使气体压力有少许提高。转子8由原动机拖动作高速旋转，由工作叶片2将气流推动，使之大大加速，这是气体接受外界供给的机械能转变为气体动能的过程。高速气流流经导流叶片3构成的流道（相当于扩压管），在其中 降低流速而使气体压缩，这是靠减少气流动能来使气体压缩的升压过程。一列工作叶片（动叶）与一列导流叶片（静叶）构成一个工作级。气体连续流经压缩机的各级，逐级压缩升压。最后经整流装置4将气流整理成轴向，流经扩压器7，在扩压器中气流速度降低，压力升高，最后汇入蜗壳经出口法兰排出压缩机。 轴流压缩机每级的增压比不大，约为1．15～1．25，若要获得较高压力，需要较多的级。例如压比为4的空气压缩机，一般需要十几级。 三、轴流式压缩机的技术特点 1、一是轴流压缩机气体动力学设计采用最先进的三元流理论和优化设计方法；采用效率高、压头大的新型叶栅，成功进行了各种反动度叶型组合设计。在同样参
1．轴流式压气机采用的防喘措施有哪些？其基本原理是什么？ 措施：中间级放气，压气机静子叶片可调和采用多转子。原理：通过在非设计状态下，改变速度三角形的绝对速度的轴向分量、绝对速度的切向分量和圆周速度，从而使气流相对速度对转子叶片的攻角同设计状态相近，避免叶片失速。 2．在压气机中，什么是预旋和正预旋？说明正预旋的作用？ 第一级工作叶轮进口处绝对速度在切线方向的分量称为预旋。若叶轮进口处绝对速度的切向分量与叶轮旋转的圆周速度方向一致，称为正预旋；预旋是由进气导向器产生的，目的是避免气流在叶背处发生分离，防止压气机喘振。 3．压气机叶片为什么要扭转？如何扭转？ 压气机叶片的扭转主要是为了保证从叶根到叶尖气流的攻角都能在要求的范围之内。叶片的扭转情况是：在叶尖处叶型弯度小，叶型安装倾斜度大；在叶根处叶型弯度大，叶型安装倾斜度小。 4．压气机分哪两种？目前燃气涡轮发动机中常采用哪一种，为什么？ 离心式和轴流式。目前燃气涡轮发动机中常采用轴流式压气机。这是因为轴流式压气机具有下述优点：总的增压比高，单位面积的流通能力高，迎风面积小，阻力小。 5．压气机的增压比是如何定义的？它与级增压比有什么关系？ 压气机的增压比是压气机出口处的总压与压气机进口处的总压之比。压气机的增压比等于各级增压比乘积。 6．什么是压气机的流量系数？影响压气机流量系数的因素有哪些？它的物理意义是什么？ 压气机的流量系统是工作叶轮进口处的绝对速度在发动机轴线的分量和工作叶轮旋转的切向速度之比。影响流量系数的因素有两个：一个是转速，另一个是叶轮进口处的绝对速度。物理意义：流量系数比设计值小，会使气流在叶背处发生分离；流量系数比设计值过大，使气流在叶盆处发生分离。 7．什么是压气机的流量特性？什么是压气机的喘振边界？什么是压气机的喘振裕度？ 在进入压气机空气的总温和总压保持不变的情况下，压气机的增压比和效率随进入压气机空气的流量和压气机转速的变化规律称为压气机的流量特性。将各转速下的不稳定工作点连接起来的曲线称为喘振边界。压气机喘振裕度指喘振线与工作线的距离。更具体的说，喘振裕度为在同一空气流量下，喘振点和工作点的增压比之差与工作点增压比的比值。 8．什么是压气机的喘振？导致喘振的根本原因是什么？ 喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频高振幅的振荡现象。导致喘振的根本原因是压气机在非设计状态下工作，气流在叶背处发生分离。 9．什么是进入压气机叶片气流的攻角？影响攻角的因素有哪些？它的物理意义是什么？ 工作叶轮进口处相对速度的方向与叶片弦线之音的夹角叫攻角。影响攻角的因素有两个：一个是转速，另一个是工作叶轮进口处的绝对速度（大小和方向）。物理意义是：正攻角过大，会使气流在叶背处发生分离；负攻角过大，会气流在叶盆处发生分离。10．什么是进气道的冲压比？影响进气道冲压比的因素有哪些？ 进气道的冲压比是：进气道上出口处的总压与远前方气流静压的比值。影响冲压比因素有：流动损失，飞行速度和大气温度。当大气温度和飞行速度一事实上时，流动损失大，则冲压比下降；当大气温度和流动损失一定时，飞行速度越大，则冲压比增加；当飞行速度和流动损失一定时，大气温度上升，则冲压比下降。 11．燃烧室中的主燃区，补燃区，掺混区的主要作用是什么？
压气机的喘振及防喘 要使气体增压,就是使单位容积内气体的分子数目增加,或让在气流中气体的分子彼此之间的 距离靠近,就可以达到提高气体压力的目的。 压气机的喘振及防喘措施1. 在压气机中发生喘振的原因2. 压气机中防止喘振的措施在压气机中发生喘振现象我们在研究压气机特性线时已经指出：在压气机特性线当的左侧，有条喘振边界线。假如流经压气的空气流量减小到一定程度，而使运行工况进入到喘振边界线的左侧，那么，整台压气机就不能稳定工作。那时，空流量就会出现波动，忽大忽小；压力出现脉动，时高时低；到严重时，甚至会出现气流从压气的进口处倒流出来的现象；同时还会伴随着低频的怒吼声响；这时还会使机组产生强烈地振动。这种现象通称为喘振现象。在机组的实际运行中，我们决不能容许压气机在进入喘振工况。在压气机中发生喘振的原因喘振现象究竟是怎样产生的呢？通常认为：喘振现象的发生总是与压气机通流部分中出现了严重的气流脱离现象有密切关系。当压气机在偏离设计工况的条件下运行时，在压气机工作叶栅的进口处，必然会出现气流的正冲角或负冲角。当这种冲角增大到某种程度时，粘附在叶型表面上的气流附面层在逆流动方向的的压力梯度下就会出现局部逆流区，形成涡流，造成附面层的分离，以致发生气流的脱离现象。流量变化时，在叶栅的流道中出现的气流脱离现象压气机叶栅中的旋转脱离现象试验表明：在叶片较长的压气机级中，气流的脱离现象多半发生在沿叶高方向的局部范围内（例如在叶片的顶部）。但是，在叶片较短的级中，气流的脱离现象却有可能在整个叶片的高度上同时发生。此外还必须指出：上述那种气流脱离现象，往往并不是在压气机工作叶栅沿圆周整圈范围内同时发生的。试验研究表明：一般来说，由于叶栅中叶片形状和分布不均匀性和气流沿周向分布的不均匀性，在小流量大冲角的工况下，气流的脱离往往总是在某一个或几个叶片上发生的。一般情况，在整个环形叶栅沿圆周方向范围内，可以同时产生几个比较大脱离区，而这些脱离区的宽度只不过涉及到一个或几个叶片通道而已。同时还应该指出：这些脱离区并不是固定不动的，这些脱离区会依次沿着与叶轮旋转方向相反的方向转移。因而，这种脱离现象称为旋转脱离。旋转脱离的现象是怎样产生的正常工况下与喘振工况下压力与气流速度变化的波形示意图压气机的工作系统图多级轴流式压气机在非设计状态下的工作特点会出现工作不协调现象多级轴流式压气机在非设计状态下的工作特点(1) 压气机中压比的变化必然会引起第一级与末级入口处轴向分速比的相应变化，而且，当压气机的设计压比越大，这种变化也越大。而压气机的压比会随转速或进口温度的变化而改变的。当实际工作转速比设计转速低时这时压气机的压比要下降。这时末几级中的空气压力和密度降低了。