内容发布更新时间 : 2024/5/17 11:16:51星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

基本工作原理和二维平面叶栅的流场特性。但是，必须清楚基元级及平面叶栅的理论和实验研究都存在着很大的二维局限性，不能够完全反映真实压气机中的三维流动情况。当沿叶高将基元级叠加组成压气机的一级以后，由于机匣和轮毂壁面的出现，在压气机的叶根和叶尖两端会出现新的附面层——端壁附面层；在叶片与轮毂或机匣的联接处，由叶片表面附面层和端壁附面层汇合而产生了复杂的角区流动；由压气机沿轴向轮毂和机匣半径的变化产生了径向流动；由动叶的叶尖与机匣的间隙（无内环静叶的叶根与轮毂的间隙）产生了间隙流动等等；上述因素使得压气机一级中的流动呈现出强烈的三维流动特性。本节介绍压气机一级中的复杂流动以及超、跨声速压气机级的流动特征。

一、 压气机级的流动和损失 （1） 端区附面层流动

端壁附面层沿压气机轴线方向是逐渐加厚的，如图3－39所示。在由叶片与轮毂或机匣形成的角区，由于端壁附面层和叶片表面附面层之间的相互阻滞作用，角区的附面层增长很快，使得一般情况下压气机的角区比其它区域更加容易产生流动分离。

图3－39压气机端壁附面层

（2） 径向间隙流动

为了防止旋转件与固定件之间的碰檫，动叶尖部和（无内环）静叶根部都留有一定的径向间隙?，经过增压的气体会通过径向间隙?产生由后向前的倒流，压力较高的叶片压力面气体也会通过径向间隙?产生向压力较低的吸力面的潜流，如图3－40所示。倒流和潜流会改变间隙附近气流的出气方向，使该部位压气机的加功和增压能力下降、效率下降。径向间隙?除了上述不好的作用外，也还存在可以利用的一面，因为在间隙比较小的情况下，间隙中的流动潜流占主要部分，压力面的气体动能高、压力大，具有推迟或减小吸力面气体流动分离的能力，此外，间隙流动产生的旋涡还具有可以抑制通道涡的作用（下面将介绍）。因此，径向间隙?也不是愈小愈好，而是存在一个“最佳”间隙值。

图3－40 径向间隙与倒流和潜流

（3） 通道涡流动

压气机静叶叶栅中的通道涡是由压力面高静压的气体通过端壁附面层流向吸力面而产生的。在静叶流场中，主流区的气流动能大，在叶片压力面附近由动能转换得到的静压高，而端壁区附面层中的气流动能小，在端壁压力面附近由动能转换得到的静压低，这样在叶片的压力面附近的气流就会从高静压的叶中区流向低静压的端壁区，占据了端壁处的气流通

道，并沿端壁流向静压更低的吸力面角区，在吸力面角区卷起并形成横跨整个叶栅通道的旋涡流动。通道涡的特点是成对出现，旋向相反，上、下大致各占叶栅通道的一半，如图3－41所示。一般情况下，叶片的弯度越大，所形成的通道涡越强烈。通道涡会使静叶的出口气流角沿叶高的分布变得不均匀，在靠近端壁处气流出现过转现象（落后角< 0），在离开端壁一定距离处又会出现亏转现象（落后角>平均落后角），如图3－42所示。

0.50h0.250.0080??k100?2

图3－41静子叶栅的通道涡 图3－42 静叶出口气流角沿叶高分布 动叶中的通道涡也是由压力面附近高静压的气体通过端壁附面层流向吸力面而产生的。动叶尖部的间隙涡与尖部通道涡的旋向相反，二者之间有相互抑制作用，如图3－43所示。

图3－43动叶叶栅的通道涡和间隙涡

（4） 叶片表面附面层潜移流动

在远离压气机上下端壁和叶片表面的主流区中，气体一般沿直线回转面（圆柱面）或曲线回转面流动，这种流动是建立在流场中沿半径方向存在着一定的压力梯度的基础上的，

c这个压力梯度与气体微团以周向分速度cu运动时的离心力?u相平衡，如图3－44（a）

r所示。但是，根据粘性气体力学的理论，在压气机动叶表面的附面层内，紧靠近动叶固体表面的气体微团可以看成是和叶片“粘”在一起旋转的。因此，这些气体微团的周向分速度不再是cu而是接近于动叶的圆周速度u了，一般情况下，u远大于cu。这样，流场中的径向压力梯度抵抗不住以速度u运动的气体微团的离心力，于是动叶表面附面层内的气体微团就会沿着叶片表面由叶根流向叶尖，产生叶片表面附面层潜移流动，如图3－44（b）和（c）所示。

2图3－44 动叶表面附面层内的潜流

同样，在静叶表面也会产生叶片表面附面层潜移流动，但是潜移流动的方向与动叶相

c反。这是因为静叶的主流区流场中也存在着与气体微团离心力?u相抗衡的径向压力梯

r度，但是紧靠近静叶表面气体微团的运动接近于零，cu?0，这些气体微团的离心力也接近

于零，这样，在流场中径向压力梯度的作用下，就形成了静叶表面附面层内的气体由叶尖向叶根的潜移流动。

叶片表面的附面层向端区潜移会造成端区的低能气体的堆积，尤其使得角区的流动容易产生分离，增加角区的流动损失。

（5） 二次流动损失

在以上所介绍的压气机一级中的倒流、潜流、间隙流和通道涡等流动现象中，气体的流

动方向与主流区的流动方向不一致，在叶轮机领域，通常将这些与主流区流动方向不一致的流动统称为二次流动，由二次流动造成的损失被简称为二次流损失。

通过对压气机一级的流动分析，明确了压气机一级的流动损失是在基元级损失（也称叶型损失）的基础上，又增加了一些新的损失项目，新增损失主要集中在动叶和静叶的叶根、叶尖两个端区，如端区附面层中摩擦造成的损失、径向间隙引起的损失、叶片表面附面层潜移引起的端区低能气体堆积造成的损失、通道涡和间隙涡造成的旋涡耗散损失等。因此，压气机一级出口的总压损失系数?沿叶高分布是叶根、叶尖两端高、叶中低。这样，在设计压气机一级时，如果要想获得级出口的总压沿叶高分布比较均匀的话，那么沿叶高动叶加功量的分配就不能为常数，可以在动叶的叶根和叶尖多安排一些加功量，以抵消端区总压损失系数?大的影响，使得压气机级出口的总压沿叶高接近一致。

二、超、跨声速级（动叶）流动特征

超、跨声速压气机级一般出现在多级压气机的进口级，因为此时压气机尚未对气体加功，气流的温度T、压力p和密度?都比较低，如果压气机的流量比较大（轴向速度c1a大）和

动叶的圆周速度u也比较大，则动叶的来流相对Mw1很容易大于1.0。超声速压气机级是指动叶从叶根到叶尖的来流相对Mw1都大于1.0。跨声速压气机级是指动叶叶尖的Mw1大于1.0，叶根的Mw1小于1.0。一般情况下，超、跨声速压气机动叶出口气流的相对马赫数Mw2和绝对马赫数Mc2（即静叶进口马赫数）都小于1.0。以下介绍超、跨声速级（动叶）流动主要特征： （1） 流动的三维性强

前面介绍过二维平面叶栅在超声速来流条件下，由叶片产生的二维激波贴近叶片的前缘并向叶盆、叶背两侧延伸。在三维流动情况下，叶片产生的激波也是贴近叶片的前缘并向叶盆、叶背两侧延伸，因此，超、跨声速压气机动叶三维流场中的激波形面就与动叶前缘的空间走向密切相关。图3－45是在距叶盆和叶背等距离的流面上测量得到的槽道激波沿叶高的位置变化，可以看到在不同反压条件下沿叶高槽道激波都是倾斜的，并且与与叶片前缘的走向一致（呈后掠形式）。在反压较低时，斜激波强度较弱，可以有不止一道槽道激波（图中

2峰值效率状态有两道槽道激波）。

图3－45 槽道激波沿叶高位置(轴向)变化

在空气动力学中学过，气流通过正激波后，气流速度的降低，但速度的方向不变。气流通过斜激波后，平行于激波的速度分量不变，但垂直于激波的速度分量减小。气流通过沿叶高方向倾斜的激波后，气流的径向速度会发生变化。因此，空间激波形面的三维性造成超、跨声速压气机中流动的三维性增强。

超、跨声速压气机动叶尖部的来流马赫数Mw1高，激波强度大，为避免因静压升高过多造成流动分离，可以采用减小动叶出口处外流道（机匣）半径的方法，使动叶尖区槽道激波后的亚声速气流局部加速，降低过高的静压，推迟或减小流动分离。动叶根部圆周速度低，可以采取增大动叶出口处内流道（轮毂）半径的方法，利用离心力作功来增大动叶根部的加功量。内、外流道的变化造成超、跨声速压气机动叶端区的流动呈现出很强的三维特征。

总之，超、跨声速压气机中的三维流动与平面叶栅中的流动差别很大，使得许多从平面叶栅二维流动实验中总结出来的设计经验和规律（如落后角和流动损失规律等）在超、跨声速动叶设计中的适用性大为降低。

二维实验得到，正激波的总压损失大致按(M1?1)的规律随波前马赫数M1的增大而增大，M1越大，总压损失增长得越快，M1>1.6，正激波造成的总压损失将超过20％。在前面二维超声速平面叶栅中介绍过，当反压增大到一定地步，二维槽道激波接近于正激波（图3－28），但是只要这时沿叶高方向激波形面呈斜激波形式，则激波造成的总压损失仍会比较低（低于按二维经验关系式得到的预测数值）。

（2） 流动易堵塞

当动叶出口的反压下降，在超、跨声速压气机动叶通道中，从叶根到叶尖都出现了横跨整个槽道的贴体激波时，激波阻止了全部的向上游传递的反压信息，这时再降低出口反压，压气机一级总的流量也不会再增加了，即出现了流动堵塞现象。超、跨声速压气机在正常工作情况下，动叶流场中的马赫数普遍很高，因此，反压不需要下降很多就有可能出现流动堵塞现象。在多级压气机中，如果进口级是超、跨声速级，则进口级的气流通过能力对整个压气机空气流量的大小起决定性的作用，因为一旦出现了进口级流动堵塞，那么后面级向后抽气的作用再大也改变不了整个压气机的流量。

（3） 对进口流场敏感

为避免动叶前缘出现范围较大、强度较强的脱体激波和槽道中出现较正的槽道激波，超、跨声速动叶叶型的前缘小圆半径一般比较小，前缘部分叶片的厚度也比较小。当这种细长尖

3

劈形的叶片对准来流时（零攻角状态），可以有很好的气动性能，如激波贴近前缘、槽道激波为斜激波（强度较弱、激波造成的损失小）。但是，一旦发生（各种原因造成的）来流方向改变，在来流不是正对着叶片的情况下，尖劈的作用不大，尖劈形叶型的气动优势很快就会丧失，如在正攻角下会出现前缘激波脱体和槽道激波变正的情况，激波损失也随之增大。这种动叶的气动性能从好到不好变化较快而且差别较大的现象被认为是超、跨声速压气机的又一特征——对进口流场敏感。

思考和练习题

1．在一台多级压气机设计中，第一级和第十级对气流的加功量都是29400J/kg，级效率都是0.86，问第一级压气机和第十级压气机的级增压比是否相同？为什么？

2．在压气机实验台上实测得某压气机（在标准大气条件下，即TH＝288K，PH=101325Pa）的平均出口温度TK＝550K，平均出口总压是PK＝738940Pa，求该压气机的效率（可以认为p1＝pH）为多少？

**3．某发动机的总增压比为?k=8.9，效率?K为0.775，求（1）当进气温度T1*＝288K**时的压气机出口总温TK＝？（2）求压气机对每千克气体的加功量LK＝？（3）由测得的压气机流量ma＝64kg/s，计算压气机的功率N k＝？[计算中空气绝热指数k＝1.4，气体常数R＝287.06J/(kg·k)]

4．用大于、等于、小于符号表示气体流经压气机动叶进口1－1截面、动叶出口和静叶进口2－2截面，和静叶出口3－3截面上的气流参数的相对大小关系。

(1)T1*、T2*和T3*；

***(2)p1、p2和p3；

*(3)p1、p2和p3； (4)c1、c2和c3； (5)w1和w2。

5．分析亚声压气机级增压比不可能很高的原因。

6．画出亚声叶栅和超声叶栅的通道简图，并对比说明其减速扩压机理的差异。 7．用速度三角形表示反力度?K为0，0.5和1.0三种情况的基元级特点。

8．装在协和号飞机的发动机，其原压气机进口装有预旋导流叶片。在其动叶进口处T1*