第三章 轴流压气机工作原理

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

1ppkk （3－1）

kp：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

kadkkLL （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adkL与实际的、有摩擦的、绝热熵增过程所需要的机械功kL之比。

p1*pk*1kadkL*kL*ad ksh* 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(11)(kkadkadkppTT和Rkkcp1可以得到

)1(1)(111kkkadkpadkRTkkTTcL （3－3）

)1(1)(111TTRTkkTTcLkkpk （3－4）

将（3－3）和（3－4）式代入到（3－2）式，则得到

1111TTkkkkk （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kp和kT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23反映，23＝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。

第二节 轴流压气机的基元级和基元级的速度三角形

高增压比的轴流压气机通常由多级组成，其中每一级在一般情况下都是由一排动叶和一排静叶构成，并且每级的工作原理大致相同，可以通过研究压气机的一级来了解其工作原理。

为更加清楚地认识轴流压气机如何对气体进行加功和增压的工作过程和原理，还可以将轴流压气机的一级作进一步的分解和化简。化简的方法：用两个与压气机同轴并且半径相差很小的圆柱面，将压气机的一级在沿叶高方向截出r很小的一段，如图3－4和图3－5所示。这样就得到了构成压气机一级的微元单位——基元级，压气机的一级可以看成是由很多的基元级沿叶高叠加而成。

图3－4 压气机的一级

图3－5圆柱面上的基元级

基元级由一排转子叶片和一排静子叶片组成，它保留了轴流压气机的基本特征。因r非常小，气体在基元级中流动其参数可以认为只在沿压气机轴向和圆周方向发生变化，在圆柱坐标系下，这样的流动是二维流动。为研究方便，可将圆柱面上的环形基元级展开成为平面上的基元级（如图3－6），在二维平面上研究压气机基元级的工作原理。

图3－6展开成平面的基元级

在平面基元级中，动叶以速度u平移，u相等于圆柱面上半径为r处基元级动叶的圆周运动速度，ru。要想了解气体经过基元级动叶时的流动情况，可以将坐标系建立在动叶上，在随动叶一起运动的相对坐标系下，研究气体相对动叶的流动过程。静叶静止不动，可在绝对坐标系下研究气体相对静叶的流动。

理论力学中介绍过，物体绝对运动速度等于相对运动速度和牵连运动速度的矢量和。根据这一原理，可以得到动叶进口和动叶出口的气流速度三角形，如图3－6所示。图中c为气流的绝对速度，w为气流相对动叶的速度，u为牵连速度（动叶或坐标系移动速度），c、w和u都是矢量。1c是动叶进口气流的绝对速度，2c是动叶出口气流的绝对速度，也是静叶进口的气流速度。3c是静叶出口的气流速度。

将动叶进口和动叶出口的速度三角形叠加画到一起，就可以得到基元级的速度三角形，如图3－7（a）所示。在一般亚声速流动的情况下，气流经过基元级的动叶和静叶后，绝对速度的周向分量uc和相对速度的周向分量uw变化比较大，而绝对速度的轴向分量ac和相对速度的轴向分量aw变化不大，可尽似地认为aaaccc321。这样，基元级的速度三角形可进一步化简为图3－7(b)所示形式。

w1w2c1c2u1u2(a)

w1w2c1c2wucuu1u2c1ac1u(b)

图3－7基元级速度三角形

图3－7(b)中的ac1为动叶进口绝对速度的轴向分量。uc1为动叶进口绝对速度的周向分量，uc1也被称为预旋速度，uc1≠0表示气流在进入转子之前就有了在圆周方向的预先旋转，如果uc1与圆周速度u的方向相同，则为正预旋，如果uc1与圆周速度u的方向相反，则为反预旋。uw称为扭速，uuuwww21，在气流沿圆柱面流动的情况下，21uu，可得到uuuucccw12。

只需要确定ac1、uc1、u和uw四个参数，则简化形式的基元级速度三角形（图3－7(b)）就完全确定了。由ac1和uc1可决定c 1, 由c 1和u可决定w 1, 由w 1和uw可决定w 2, 由w 2和u可决定c 2 。

第三节 基元级中动叶和静叶的作用及基元级的反力度

一、基元级中动叶的作用

压气机通过动叶驱动气体流动完成对气体作功，作功的结果是将外界输入的机械功转变成气体的热能和机械能，根据能量方程（2-5）式和（2-12）式，气流流过动叶后，滞止温度（总温）升高，静压和滞止压力（总压）增大。

在基元级中， 21rr，应用方程（2－21），可得到动叶对气体的作功量为

uuuucuccuL)(12 （3－6）

（3－6）式表明，只要动叶对气体作了功，则一定有uc0，即经过动叶后气体绝对速度的周向分量uc2增大，在aacc12的条件下，气体的绝对速度2c也增大。

图3－8为一亚声速基元级，动叶进口相对速度1w和静叶进口绝对速度2c分别低于当地声速。亚声速基元级中，动叶构成的气流通道从进口到出口偏转了一定的角度，进口通道与压气机轴线的夹角大，出口通道与轴线的夹角小。在通道的偏转过程中形成沿流向流动面积扩张，出口面积CRA2（垂直于出口流线的面积）大于进口面积CRA1（垂直于进口流线的面积）。根据气体动力学知识，亚声速气流流过扩张通道时，速度下降，静压升高。因此，亚声速气流流过如图3－9所示的动叶后，气体的相对速度w减小，静压升高，同时，相对速度的方向发生变化，21，由基元级速度三角形可得到绝对速度的方向也发生偏转，并且uc0。

图3－8 亚声速基元级工作原理 图3－9 超声速基元级工作原理

图3－9为一超声速基元级，动叶进口相对速度1w大于当地声速。当来流相对马赫数1wM比较高时，超声速基元级的动叶气流通道可接近于等直通道，流道的偏转角度和流通面积的扩张都不明显。气流流过这样的动叶通道后，相对速度的方向变化不大，12，但是相对速度的大小可以变化很大，如图3－9，2w可以减小很多。原因是在超声速来流下的动叶通道（槽道）中会出现激波，气流通过接近于正激波形状的槽道激波后相对速度的方向变化不大，但相对速度减小，静压升高。由基元级速度三角形可得到气流绝对速度的方向发生偏转，并且uc0。

根据（3－6）式，在相同的圆周速度u下，uc愈大，动叶对气体的加工量愈大。根据（2-13）式，气体流过动叶时相对速度下降愈多，气体的静压升高愈多。因此，无论是超声 速基元级还是亚声速基元级，动叶对气体的加工都是通过改变气流绝对速度的周向分量并使uc0实现的，而气流流过动叶后静压升高则都是通过减小气流的相对速度实现的，只是超声速基元级和亚声速基元级在加功和增压的方式上有一些差别。

相对座标系下基元级动叶的机械能形式的能量方程为

02212221RfLwwdp

或者

RfLdpww2122212 （3－7）

RfL为动叶流阻功。可见动叶中气体相对动能减少，静压升高。

基元级中动叶的作用：1.加功，2.增压。

二、基元级中静叶的作用

气流经过压气机基元级的动叶后，只要动叶对气流作了功，则一定有气流的ucuucc120，即动叶出口处的绝对气流方向（比进口）更加偏离压气机的轴向。这样，在动叶的后面就需要有一排叶片，将气流的方向重新偏转到接近轴向方向，为下一级的动叶提供合适的进气方向。

从图3－9中可以看出，静叶的气流通道也是进口处与压气机轴线的夹角大，出口处与轴线的夹角小，沿流向流通面积是扩张的。亚声速气流流过扩张的静叶通道后，气流速度下降，静压升高，同时气流方向偏转到接近轴向。如果静叶进口气流的速度比较高（2CM0.85），那么，在静叶通道的进口区域也可能出现局部超声速流动和激波，激波后的气流以亚声速流动,在扩张的流道中进一步减速和增压。

静叶不对气体加功，0uL，其机械能形式的能量方程为

02222332sfLccdp

或者

sfLdpcc3223222 （3－8）

sfL为静叶流阻功。可见，静叶是将气体的动能继续转变为压力升高。

基元级中静叶的作用：1.导向，2.增压。

气流流过压气机基元级时各参数的变化趋势见图3－10。

图3－10 气体流经压气机级的参数变化

三、基元级的反力度

（一）反力度的物理意义