离心压气机理论-第二部分

这种现象可以简单地解释 为：当Cm2/C2较小的情况 下，气流在扩压器内的流 动轨迹延长，因此使壁面 摩擦损失增加，从而使扩 压器的压强恢复能力下降。
无叶扩压器-无叶扩压器特性
为什么离心压气机可以稳 定工作？
一个扩压系统如果随流量增加，扩压能力增加，那么这个扩压 系统本身就是不稳定的。从图 11可以看出，无叶扩压器本身是 不稳定的。
实线为最高效率点状态
虚线为临近喘振状态 轮缘 轮毂 r/r21.08 轮缘 轮毂 1.33 轮缘 1.62 轮毂 轮缘
半径增大 轮毂 1.99
图12 最高效率点和临近喘振点测量不同半径比叶轮叶高方向径向速度分布
无叶扩压器-无叶扩压器特性
Bradshaw和 Laskin(1947) 对一系列不同转速的离心压气机扩压器 进行了试验研究，他们发现： •扩压器的损失主要发生在扩压器的入口和出口，扩压器内部损 失可以近似忽略。 •当扩压器出口直径减小时，扩压器出口损失增加，扩压器出口 损失近似和扩压器出口直径的平方成反比。因此整个压气机效 率会随着扩压器的直径减小而下降。 •扩压器出口直径的变化对扩压器入口损失、扩压器内部损失和 叶轮效率的影响很小。 •当叶轮载荷系数及叶轮叶尖速度变化时，扩压器的效率变化很 小。
无叶扩压器-无叶扩压器特性 借助图9，定性地给出了扩压器内部气团的运动轨迹，其中曲 线o-t代表理想情况下气团在揳形扩压器内的流动，是气团在 扩压器内可能出现的运行轨迹的上限，曲线o-q代表气团在气 动叶形扩压器或弯曲叶形扩压器中的运行轨迹。曲线o-s代表 气团在无叶扩压器内部流动轨迹。
无叶扩压器-无叶扩压器特性 理想状态下，气团在无叶扩压器内的运行轨迹是对数螺旋线， 这条运行轨迹是气团在扩压器内运行的下限。对于半径比为2， 入口流动角为6时，气团从扩压器入口运动到扩压器出口，将近 似旋转一周。由于在壁面存在着粘性阻力，会产生较高的摩擦 损失，因此无叶压器的压强恢复能力明显要比有叶扩压器的压 强恢复能力低一些。
无叶扩压器中的喘振和稳定性 Abdelhamid 发现临界流动角受扩压器进出口直径比影响很大， 当D5/D31.4时临界流动角为84°，当D5/D32.0时临界流动角为 79°。 Frigne和Van Den Braembussche (1983)同样对无叶扩压器流动稳 定 性 进 行 了 研 究 ， 发 现 扩 压 器 宽 度 变 化 时 ， 临 界 流 动 角在 76°~85°之间变化。
宽扩压器 图17 扩压器宽度变化对压气机性能影响 窄扩压器
有叶扩压器-叶轮和扩压器之间匹配 扩压器叶片宽度： 从图17可以看出两台压气机的特性有很大差别：
在低转速情况下，大 扩压器的最大质量流 量明显大于小扩压器 最大质量流量。
无叶扩压器-无叶扩压器特性 Rodgers(1982b)对15种不同尺寸的无叶扩压器进行了试验研究。 扩压器宽度在径向保持不变，且 D2/D11.7 ，图 11 给出了根据 Rodgers试验结果画出的压强恢复系数和入口径向速度与切向速 度之比Cm2/C2之间的关系曲线。
Cm2/C2 图11 变化对静压力恢复的影响r5/r3=1.71
无叶扩压器-无叶扩压器特性
Yingkang和Sjolanger(1987)在他们的文献中给出了5个不同叶片形 状扩压器对压气机气动稳定性影响的研究结果，这5个无叶扩压 器的两个壁面具有小扩张角形状和较大收敛角形状。
研究结果： •壁面收缩扩压器压升随流量变化斜率为负，这标志着扩压器具 有稳定的扩压特性。
横坐标代表质量流量
不同b/D2值下无叶扩压器相对平均入口旋度参数
无叶扩压器-无叶扩压器特性
度 b/D2>0.045 ， 当入口流动 角相同情况下，绝大多数 扩压器具有几乎相同的压 强恢复系数。
2 在扩压器宽度较小的情 况 下 ， 即 b/D2<0.045 时 ， 会引起扩压器性能下降。
有叶扩压器-叶轮和扩压器之间匹配 高转速情况下攻角的变化
攻角是由叶轮出 口气流切向速度 和径向速度决定 的
如果在转速增加情 况下，叶轮进口攻 角保持不变 半径方向
由于叶轮出口气流密度 随叶轮旋转速度增加而 增大，这时径向速度分 量的增加一定会小于切 向速度分量的增加
2为和径向间
的夹角。
径向速度分量的增加一定 会小于切向速度分量的增 加
衡量扩压器和叶轮之间的匹配的一个指标：扩压器进口攻角 流量变化对扩压器叶片进口攻角大小是有影响的。
有叶扩压器-叶轮和扩压器之间匹配 低速情况下流量变化对攻角的影响。
在压气机工作在低 速情况下，气体的 可压缩性特性并不 突出 大质量流量 当质量流量从设计流 量开始减小，扩压器 进口径向速度减小， 切向速度增加 半径方向 当质量流量大于 设计流量情况下， 扩压器进口径向 速度增加 小质量流量 进入扩压器的平均气 流方向和径向间的夹 角减小，从而使进入 扩压器叶片气流产生 负攻角 进入扩压器的平均气流 方向和径向间的夹角增 大，进入扩压器叶片气 流的正攻角增加。
有叶扩压器 有叶扩压器可以使离心压气机在较小尺寸范围内获得较高的压 强恢复系数，因此当采用无叶扩压器在限定尺寸范围内达不到 压力要求情况下，就要使用有叶扩压器。
有叶扩压器-叶轮和扩压器之间匹配
在离心压气机叶轮中压强和密度增加都比较明显，在设计带有 有叶扩压器的离心压气机时，所面临的问题和轴流压气机所面 临的问题是相同的，一是如何准确确定堵塞因子的问题，二是 怎样保证叶轮和扩压器之间的合理匹配问题。
随流量增加，压强恢复系数增加。 压强恢复系数随流量变化曲线斜 率为正。
无叶扩压器-无叶扩压器特性
为什么离心压气机可以稳定工作？ 之所以离心压气机没有发生失速及喘振现象，主要是由于叶轮 压升与流量特性斜率为负，从而保证压气机级压升与流量曲线 斜率为负，使系统能稳定工作。 扩压器内静压升随进出口直径的 变化 扩压器的长度选取： 通过试验发现，扩压器内静压升是随着无叶扩压器出口直径 增加而增加的，但这种趋势随出口直径增加越来越弱，于此 同时，滞止压强是不断下降的。因此，扩压器出口直径 D5和 扩压器入口直径D3之比小于2，一般情况下，可以在扩压器外 周上使用涡壳进一步提升压强。
无叶扩压器-无叶扩压器特性
通常情况下无叶扩压器压升系数低于有叶扩压器所能获得的压 升系数。对于无叶扩压器，当2角较小情况下，即使在一个较 短的扩压器内，气流也要经过一个较长的距离才能从扩压器的 入口运动到扩压器的出口。
无叶扩压器-无叶扩压器特性 由图 10 关于 Elder 和 Foster[1987] 的研究成果可以看出，对于一个 半径比为2的扩压器，入口角度为 5时，气流在离开扩压器前将 在周向上旋转400左右，由此产生较高的摩擦损失，因此扩压器 内获得的实际压升将远小于理想情况下能够获得的压升。
意味着扩压器长度达 到一定长度后再增长 是没有意义的。
无叶扩压器-无叶扩压器特性
扩压器入口速度分布是不均匀的，这种现象对压力系数的影响 并不明显，但是出口直径与入口直径比应足够大，以便扩压器 有足够的尺寸让气流扩压。
无叶扩压器-无叶扩压器特性
图12给出了无叶扩压器不同半径位臵子午速度分布的试验结果， 图中给出的速度是经过换算的子午速度，可以看出，在最高效率 工况下，随着气流沿径向向外流动，速度不均匀分布得到了明显 的改善。
其结果是进入扩压器的 绝 对 流 动 角 2tan1(C2/Cm2)随叶轮 旋转速度的增加而增加
有叶扩压器-叶轮和扩压器之间匹配 扩压器叶片宽度： 下面给出的试验结果是两个扩压器的试验结果，扩压器叶片高 度为 8mm 的小扩压器和 10.7mm 的大扩压器，叶轮直径大约为 125mm，图17给出了试验结果，两个扩压器叶片形状相同，扩 压器叶片前缘和径向间的夹角为71.5。
无叶扩压器中的喘振和稳定性 总体来说，对无叶扩压器内流动不稳定性的本质的认识还很不完 全。 •压强恢复系数 Cp 随流量变化的特性表明，无叶扩压器本身就不 能工作在稳定状态下。这就表明，不能孤立地采用试验和理论方 法对无叶扩压器流动稳定性问题进行研究。 •并不是在扩压器两个壁面中的一个壁面出现反向流动就意味着 出现旋转失速现象。 •对中等比转速或较大比转速下的离心压气机(b/D2较大情况)，2 通常选择不大于 tan1371.56，这个角度可以作为一般无叶扩压 器设计的上限。
如果在扩压器叶片进口气流和叶片间有很大的攻角，那么扩压 器内压强损失将迅速增大，从而导致失速现象发生。
有叶扩压器-叶轮和扩压器之间匹配 高速情况下流量变化对攻角的影响。 当叶轮旋转速度较高，进口绝对马赫数较大情况下，扩压器叶 片能够承受的正攻角范围远小于低速下能够承受的正攻角范围。 对于高压比压气机，进入扩压器叶片马赫数很高，通常接近1的 水平，只要出现一个较小的正攻角，就会在扩压器叶片吸力面 上出现较强的斜激波。
图10 无叶扩压器内质点运动轨迹
无叶扩压器-无叶扩压器特性 另一方面，无叶扩压器更适合于非设计工况，因为叶轮出口绝 对气流角2可以在一个较宽的范围内变化，对于无叶扩压器不 象有叶扩压器那样存在着进口攻角问题。 只有当径向绝对速度Ma数大于1时才会在无叶扩压器内出现堵 塞流动现象，而对于有叶扩压器由于存在喉部，明显比无叶扩 压器更容易出现堵塞流动现象。 Dean[1976]对无叶扩压器和有叶扩压器内部流动现象进行了研 究，发现相对于有叶扩压器内部流动而言，无叶扩压器内更容 易出现由扩压器向叶轮内部反向流动现象。
无叶扩压器-无叶扩压器特性 如果采用收缩式扩压器，那么就会使径向速度沿半径方向上减 小更缓慢一些，而切向速度和原来一样减小，这样导致平均流 动方向更倾向半径方向，因此会使气流在扩压器内流动距离缩 短，流动距离缩短的好处就是使损失下降。也就是说，改变扩 压器宽度会对壁面摩擦损失产生很大影响。收缩式扩压器的另 外一个好处是使流动方向更倾向于径向方向，从而使压气机更 不容易出现旋转失速现象。
无叶扩压器中的喘振和稳定性 压气机稳定工作范围是一个非常主要的性能指标，无叶扩压器 压气机能够在实际中得到广泛应用就是因为这种离心压气机比 带有有叶扩压器离心压气机的稳定工作范围更加宽广。 简森Jansen (1964b)给出了确定旋转失速发生的一种流动现象， 即在扩压器壁面一侧出现反向流动时即为发生失速流动现象。