平面叶栅特性

平面亚音扩压叶栅实验1 实验目的1）通过实验使学生熟悉平面叶栅实验设备和实验方法； 2）作出叶栅攻角特性和叶片表面压力分布曲线3）了解平面叶栅实验在压气机气动设计中的作用和地位。

2 实验内容2.1 平面叶栅的攻角特性气流通过平面扩压叶栅后，其方向要发生转折，气流转折角为β∆。

气流通过叶栅损失的大小可用损失系数ω来表示。

β∆和ϖ随攻角i 和来流马赫数M 1而变化，它们都是i 和M 1的函数。

低速叶栅吹风实验不考虑M 1对叶栅性能的影响，只讨论β∆和ϖ随攻角i 的变化。

叶栅的攻角特性如右图所示。

由图1可以看出，当i 增加时，β∆开始直线上升，几乎不变。

到某一攻角，β∆达到最大值。

攻角再提高，β∆下降很快，ϖ急剧增加，这时叶背气流发生严重分离。

在很大的负攻角情况下，气流在叶盆分离。

β∆的大小反映了叶栅的功增压能力，而ϖ的大小则反映了叶栅有效增压的程度，ϖ表征气流流经平面叶栅发生的机械能损失，叶栅的效率和ϖ有直接关系，压气机设计取β∆＝0.8max β∆为叶栅名义工作点，把不同几何参数叶栅的名义工作点汇集在一起，即得到平面叶栅的额定特性线，这是压气机气动设计的依据。

2.2 叶片表面压力分布叶片表面压力分布以无因次压力系数P 表示1*11P P P P P -=-式中，*1P 、1P 分别为叶栅进口的总压和静压，P 为叶片上任一点的静压。

P 为正值说明叶片上某点的当地速度低于叶栅进口速度，P 为负值表面当地速度大于叶栅进口速度。

典型的叶片表面压力分布曲线如右图所示，横坐标为弦长百分比。

进行叶片表面压力分布实验时，只测量一个攻角（例如5°攻角）的叶片表面压力分布。

同时，还可以改变几个攻角（-10°，10°，18°），观察叶片表面压力分布变化情况，特别要注意大攻角时，叶片表面出现严重分离（失速）现象。

当叶片表面出现分离时，分离点后叶栅不再增压，水排上指示水柱高度不变。

3 实验设备3.1 叶栅风洞图3 平面叶栅实验设备示意图叶栅实验由连续气源供气，气流经过扩压段减速扩压，稳定箱内安装蜂窝器和阻尼网（钢网），消除旋涡，使气流稳定均匀，再经过维他辛斯基曲线的收敛段，使稳定箱出来的气流均匀膨胀加速，造成叶栅进口截面各点压力、速度都相同的一股均匀气流进入叶栅。

图1平面叶栅网格分布
数值模拟0km、10km和20km高度不同雷诺数条件下平面叶栅的气动性能，数值仿真计算工况如表2所示。

设置进口边界条件为速度，进口特征速度为20m/s。

由式（1）和式（2）可计算得到不同高度下的雷诺数。

萨特兰公式：
=1.7894×10-5（空气15°时的粘度）
雷诺数公式：
为气体密度，d为特征长度
图3给出了0km、10km以及20km的静压分布云图，攻角为-12°时压力面前缘位置存在较小的低压区，并且随着雷诺数减小，低压区面积增大，而高压区在叶片前缘的位置基本不变；攻角增至0°时，吸力面前缘出现低压区，
图4给出了不同雷诺数下的速度流线图。

由图可知，在较大负攻角与零攻角情况下，随着雷诺数的减小（飞行高度增大），吸力面尾缘分离区增大，可以看到在20km时出现明显的分离涡；在攻角为12°的情况下，吸力面尾缘在不同高度时均有清晰可见的分离涡，且随着雷诺数的降低，分离涡逐渐后移。

3结论
通过数值模拟分析不同高度下，雷诺数对对叶栅攻角损失性能和叶栅流场结构的影响，得出了以下几个结论：
①随着雷诺数减小，在-12°~12°攻角范围内，总压恢复系数整体逐渐降低，总压损失系数逐渐增大。

②攻角为-12°时压力面前缘位置存在较小的低压区，
表2仿真计算工况
图2不同高度下攻角与总压恢复系数的特性曲线图3平面叶栅的静压分布图图4平面叶栅的速度流线图
图1某增压发动机的Boost计算分析模型示意图
1.3发动机相关零部件尺寸参数定义
1.3.1空气滤清器
所建立的进排气系统模型中，空气滤清器的相关参数和特性如表2所示。

第四节叶栅的气动特性在蒸汽热能转变为轮周功的过程中，存在着喷嘴损失、动叶损失和余速损失。

前面已讨论了余速损失对轮周效率的影响，本节主要讨论流动损失，即讨论喷嘴损失和动叶损失产生的物理原因及影响因素，从而指明减少损失提高流动效率的途径。

汽轮机叶栅的气动特性一般是在风洞里用平面叶栅由空气吹风试验获得的。

叶栅吹风试验是以二元流动力基础并考虑了三元流动的特征进行的。

经验证明，实验数据用于叶栅的设计计算和分析能够获得满意的结果。

叶栅试验通常是在各项参数变动相当大的条件下进行的，因此所得的结果不但是叶栅的设计工况特性，而且包括了其变工况特性。

从试验结果可以看到叶栅中各项损失在不同工况下的变化趋势和定量关系，这有助于分析级在变工况下的工作特性。

大量试验表明，叶栅的能量损失是由叶型损失和端部损失所组成的。

叶栅的几何参数和汽流参数对能量损失的大小起着决定性的作用。

一、叶栅的几何参数和汽流参数汽轮机叶栅一般分为冲动式叶栅和反动式叶栅两大类：反动式叶栅如图1．4．11(a)所示，它包括喷嘴叶栅和反动度较大的动叶栅。

叶栅前后有静压差．汽道宽度由进口到出口显著缩小，故汽流通过时除流动方向改变外还有加速。

冲动式叶栅如图1．4．1(b)所示，它包括冲动式动叶栅和导向叶栅。

叶栅前后静压力近似相等，汽流通过时主要改变流动方向，基本不加速。

但实用中为了减少流动损失，采用一定的反动度，2β比1β略小2°一4°，使汽道略有收缩。

每类叶栅按喷嘴出口、动叶进口的马赫数Ma 可分为亚音速(Ma ＜0.8)、跨音速(0.8＜Ma ＜1.2)和超音速(Ma ＞1.2)叶栅。

表征叶栅的主要几何参数(图1．4．1)有：平均直径m d 、叶片高度l 、叶栅节距t 、栅宽度B 、叶栅通道进口宽度a 和出口宽度1a 与2a 、叶型弦长b 和出口边厚度∆。

由于在同样的进出口参数条件下，几何相似的叶栅中汽流保持近似相同的特性，所以决定叶栅几何形状的参数都可以用一些无因次的相对值来表面相对节距t ＝t ／b ；相对高度l ＝l ／b ；相对长度(径高比) θ＝d /l 。

第一章1.压气机的分类方法有哪些？答:工质的流动方向：轴流式，离心式，斜流式，混合式工质压强提高的程度：风扇，通风机，鼓风机，压缩机工质的性质：气体：压气机，液体，泵2，离心式压气机和轴流式压气机各自的优缺点？,轴流式：优点：1，迎风面积小；2，适合于多级结构；3，高压比时效率高；4，流通能力强；5，在设计和研究方法上，可以采用叶栅理论。

缺点：叶片型线复杂，制造工艺要求高，以及稳定工况区较窄、在定转速下流量调节范围小等方面则是明显不及离心式压缩机。

离心式：优点：1，单级增压比高；2，结构简单、制造方便；3，叶片沾污时，性能下降小；4.，轴向长度小；5，稳定工作范围大。

缺点：3简述压气机的工作原理？工作叶片 扩张通道 对气流做工Lu 回收部分动能气流工作轮压强增加动能上升整流器压强增加流向调整第二章1、 什么是轴流压气机的基元级？为什么要提出基元级概念？答：○1基元级：用两个与压气机同轴并且半径差∆r →0的圆柱面，将压气机的一级在沿叶高方向截出很小的一段，这样就得到了构成压气机级的微元单位—基元级。

○2在基元级上，可忽略参数在半径方向的变化，故利用基元级将实际压气机内复杂三元流动简化为二维模型——降维，便于做研究，故提出了基元级 。

2、压气机基元级增压比和等熵效率如何定义？答：基元级增压比：级静叶姗出口气压和工作轮进口气压之比。

等商效率：气体等熵压缩功与实际耗用功之比。

3、何为压气机基元级的理论功？计算方法有哪些？答：单位质量流体获得的功Lu 即为基元级的理论功。

形式：○1 ○22222221221c c w w Lu -+-=○3*1*2h h Lu -= ○4S f R f L L C C dp Lu ,,2123312+++-+=⎰ρ4、试画出压缩过程的温熵图，并指出理论功、多变压缩功、等熵压缩功和热阻功、摩擦损失功所对应的面积,热阻功是怎么引起的？答理论功Lu=A bd3*fb ；摩擦损失功=A cd3*1*c ；多变滞止压缩功=A bc1*3*fb ；等熵滞止压缩功=A bc3*ifb ；热阻功=A 1*3*3*i ；热阻功引起的原因：○1尾迹损失，上下表面附面层在尾缘回合后形成的涡流，由于粘性作用，旋涡运动消耗动能转变我热能损失；○2尾迹和主流区的掺混，同时由于)(12u u W W u Lu -=粘性作用，使动能转变为热能损失 。

汽轮机基本工作原理简介通流部分－汽轮机本体做功汽流通道称为汽轮机的通流部分，它包括主汽门，导管，调节汽门，进汽室，各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。

汽轮机的级－是由一列喷嘴叶栅和其后紧邻的一列动叶栅构成的工作单元。

级的工作过程－蒸汽在喷嘴中降压增速，热力学能转变为汽流的动能；在动叶中一方面继续降压增速，热力学能转变为汽流的动能，另一方面汽流在动叶中改变运动方向，将动能转换成转子的旋转机械能。

前者属于反动能，后者属于冲动能级的工作过程蒸汽膨胀增速的条件－－是有合理的汽流通道结构，另一是蒸汽需具有一定的可用热能且有压差存在速度三角形：C:汽流的绝对速度 W:相对速度 U:圆周速度:旋转平面与 W 的夹角:旋转平面与 C 的夹角动叶进口速度三角形 ： W1=C1－u动叶出口速度三角形： W2=C2+u热力过程分析热力过程线――蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在h-s 图上的表示。

滞止参数－-相对于叶栅通道速度为零的气流热力参数。

用后上标为”0”来表示。

βα反动度——或反动率,表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度,定义为动叶中的理想焓降与级的等熵绝热焓降之比,用Ω来表示。

即：00b m tn bh h hh h ∆∆Ω=≈∆∆+∆级的类型和特点纯冲动级――Ω＝０,汽流在动叶通道中不膨胀。

●结构特点：动叶为等截面通道；●流动特点：动叶进出口处压力和汽流的相对速度相等。

因压降主要●发生在静叶栅通道中,故又称为压力级。

反动级――Δhn=Δhb=Δht，动静叶中焓降相等.●结构特点：动、静叶通道的截面基本相同；●流动特点：动、静叶中增速相等.冲动级――膨胀主要发生于喷嘴中,一般Ω＝0.05～0.30复速级――由固定的喷嘴叶栅、导向叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅所组成的级称为复速级，又称双列速度级。

级的轮周功率和轮周效率轴向蒸汽的轴向力应是汽流轴向力、压差力的总和。

设动叶压差作用有效面积为Az ，则总的轴向力轴向力使汽轮机转子轴向产生移动，故采用轴向推力轴承对转子作轴向定位。

第一章汽轮机级的工作原理第四节叶栅的气动特性第一章汽轮机级的工作原理-第四节叶栅的气动特性第四节叶栅气动特性在蒸汽热能转变为轮周功的过程中，存在着喷嘴损失、动叶损失和余速损失。

前面已讨论了余速损失对轮周效率的影响，本节主要讨论流动损失，即讨论喷嘴损失和动叶损失产生的物理原因及影响因素，从而指明减少损失提高流动效率的途径。

涡轮叶栅的气动特性一般是通过风洞中的平面叶栅吹气试验获得的。

在二维流动动力学的基础上，结合三维流动的特点，进行了复叠吹气试验。

实践证明，将实验数据用于叶栅的设计、计算和分析，可以获得满意的结果。

叶栅试验通常是在各项参数变动相当大的条件下进行的，因此所得的结果不但是叶栅的设计工况特性，而且包括了其变工况特性。

从试验结果可以看到叶栅中各项损失在不同工况下的变化趋势和定量关系，这有助于分析级在变工况下的工作特性。

大量试验表明，叶栅的能量损失由叶型损失和端部损失组成。

叶栅的几何参数和蒸汽流动参数对能量损失的大小起着决定性的作用。

1、叶栅几何参数和蒸汽流动参数汽轮机叶栅一般分为冲动式叶栅和反动式叶栅两大类：反应叶栅如图1.4.11（a）所示，包括喷嘴叶栅和高反应的移动叶栅。

叶栅前部和后部之间存在静压差。

蒸汽通道的宽度从入口到出口显著减小，因此当蒸汽流过时，除了流动方向的变化外，还有加速度。

冲动式叶栅如图1．4．1(b)所示，它包括冲动式动叶栅和导向叶栅。

叶栅前后静压大致相等。

当蒸汽流过时，流动方向主要改变，没有加速。

然而，在实践中，为了减少流量损失，采用了一定程度的反作用，使蒸汽通道略微收缩。

？二1稍小2°-4°，根据喷嘴出口和动叶进口处的马赫数MA，每种类型的叶栅可分为亚音速（MA<0.8）、跨音速（0.8<MA<1.2）和超音速（MA>1.2）叶栅。

表征叶栅的主要几何参数(图1．4．1)有：平均直径dm、叶片高度l、叶栅节距t、栅宽度b、叶栅通道进口宽度a和出口宽度a1与a2、叶型弦长b和出口边厚度?。