压气机与轴流式燃气透平级数和效率的比较.docx

《压气机与轴流式燃气透平级数和效率的比较.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压气机与轴流式燃气透平级数和效率的比较.docx（5页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、涡流图5-28气流在扩压流道中发生的脱流现象图时面屋内;束麻的公布情猊压气机与轴流式燃气透平级数和效率的比较与压气机相比，为什么轴流式燃气透平的级数比较少而效率比较高？为了说明这个问题，首先应该对气流在压气机的出口扩压器中的流动现象作一分析。为了便于分析，可以把压气机的出口扩压器，简化成为一个通流面积在流线方向逐渐增大的扩压流道来处理，如图5-28所示。从流体力学中已知：由于气流有粘性，当它流过一个物体时，就会在其表面上逐渐形成附面层。在附面层中直接贴在壁面上的气流质点的速度等于零。当气体离开壁面后，气流质点的速度就会逐渐增大，一直增大到与主流区的速度WO相差1%的地方为止（如图5-29所示）

2、，这个厚度为3的气流层通称为附面层。在气流作上述流动时，由于附面层中气流的速度梯度比较大，就会出现相当大的粘滞摩擦力。因而为了保证附面层中流体质点沿着主流的流动方向运动，贴近附面层的主流气层中的气流质点，就必须把动能连续不断地传递给附面层中的气流质点，使它能够克服粘滞摩擦力而往前运动O与此同时，原来在主流区中运动的气流质点的速度就会降低下来，而逐渐达到与附面层的外边界上的流速相同的程度。这就是说，沿着主流气流的运动方向，附面层的厚度是在逐渐增加之中。很明显，附面层的厚薄与气流的流动情况有密切关系。在透平的动、静叶流道中，由于主气流的速度C或W总是在不断地增快，它们能够付出较大的动能来补偿为了维

3、持附面层中气流质点的流动所需要的能量，因而附面层的厚度3一般都比较薄。可是在压气机的扩压器中，主流气流的速度是不断降低的，也就是说，当主流气流带着附面层中的气流质点一起运动时，主流气流的速度将会进一步下降，这就会导致扩压器壁面上的附面层，沿着气流的流动方向很快地增厚起来。图5-30在扩压器的某个截面上，气流速度场的分布情况试验表明：在扩压器中附面层增厚的趋势与扩压器的扩张角有密切关系。角增大，正意味着沿着气流的流动方向，气流速度下降得比较迅速，因而附面层容易加厚。图5-30中给出了当扩张角不同时，在扩压器的某个截面上气流速度场的分布情况。由图中可以看出：随着扩张角a的增大，在y较小的近壁部位，

4、气流的速度W将会偏离主流气流的速度WO越加厉害。当扩张角a大于某个临界值后，上述现象就会加剧。那时附面层中的质点就有不能被主流带着一起向前运动而完全停滞下来的危险。由于在扩压流道中，气流下游方向的压力要比上游方向高，这样，在壁面附近就会出现气流的反向运动，致使主流脱离壁面，形成强烈的旋涡（参见图5-28中的断面a-a）。当涡流现象出现后，能量损失就会剧增，并且还会由于气流的脱离，使主流部分的通流面积变小，主流速度随之增高。其结果都会使扩压器的增压效果变坏，而无法获得原先期望的压力增升值。通常，为了防止出现上述不良情况，应把扩张角a控制在7。8。范围内。在任何条件下，a角都不能大于10。12。0

5、不难想象，以上这种流动现象不仅会在压气机的出口扩压器中出现，而且还会在压气机的动叶叶栅和扩压静叶栅中发生。因为这些叶栅流道的通流面积，也像扩压器那样，是做成沿气流的流动方向在不断增加之中的。为了说明这个问题，我们只需分析一下气流流过压气机叶型时，空气压力沿叶型表面的分布情况就够了。图531中给出了这种分布关系。空气压力沿叶型表面的分布关系，一般都是用无量纲量压力系数p来表示的，即万二华（5-51）式中p一叶型表面上任何一点的静压；P1叶栅前气流未被扰动时的静压；（12）pw2叶栅前气流未被扰动时的动能。图5-31a中形象地给出了压气机叶栅中，叶型表面的压力分布图。其上各点的压力或压力系数是用一

6、定比例的垂直线长度来表示的。箭头的方向则表示出了该点的空气压力p,相对于基准压力P1来说，是高还是低的趋势。从图上可以清楚地看到：即使在冲角i0的情况下，叶型背弧和内弧面上的压力分布情况也是不一样的，在背弧面上极大部分地区都是负压区（即ppi,或pPI,或p0）o当然，在内弧的前段也存在一个增压减速区，在那儿，气流也有发生脱离现象的可能性。但是，沿叶型内弧表面流动的气流，由于惯性力的作用，具有一种自然贴向叶型内弧表面的倾向，因而在这个增压减速区中，也不至于产生很强烈的气流脱离现象。图中i=-0o46i=-15o40,i=10o02,图5-31K-I压气机动叶叶栅（tb=O.868）,在各种冲角

7、i的情况下，叶型表面压力系数万的分布特性图5-32中给出了在压气机叶型背弧的出气边上，发生附面层逐渐增厚，以致出现气流脱离现象的示意图，可以比较形象地看清这个问题。试验表明：在压气机叶型表面上发生的气流脱离现象，与气流来流方向的冲角i,以及叶型型线的设计有密切关系。I-附面层2-气流脱离图5-32在压气机叶型背弧上发生的时而厚和与流的加离物象在图531b中给出了在不同的冲角i情况下,于K-I型压气机的动叶叶栅表面上，压力系数的变化情况。由图中可以看出：当正冲角很大时，从侧点10开始，在叶型的背弧上将发生范围很广的、压力梯度变化很陡的增压减速区。由于气流在流经背弧表面时，在惯性力的作用下，本来就

8、存在一种脱离背弧的倾向，所以在正冲角较大的情况下，在叶型的背弧上必然很容易出现强烈的气流脱离现象。这不但会导致叶栅中能量损失的剧增，而且还会使气流有生产倒流的可能，进而为压气机中发生的喘振现象提供了条件。同时，从图531b中还可以看出：当负冲角很大时，从侧点开始，在叶型内弧的进气侧，也会出现一个压力梯度比较陡的增压减速区。当时，在该地区也会发生一定程度的气流脱离现象。但是由于惯性力作用，其脱离程度要比在背弧上产生的脱离现象轻得多。由此可见，当气流流经压气机叶栅时，即使正冲角和负冲角的绝对值彼此相同，但在正冲角工况下所产生的流动能量损失，必然要比负冲角工况大得多。图5-33上给出了在某种压气机的

9、叶栅中，叶型的阻力系数Cm与气流冲角i和气流折角之间的变化关系，可以进一步说明这个问题。当然，在压气机叶型表面上发生的气流脱离现象，与叶型型线的设计有很大关系，特别是与叶型的弯曲角有关。由图3J2可知=Pij-j显然，角的加大必然意味着叶栅几何出口角陶与几何入口角阮的差值越大，也就是说，当叶栅的栅距t和宽度Ba一定时，叶栅出口的截面积A2就要比A1=rsinjA2=rsin1j因而，当2j和阮差值越大时，A2也就要比A1大得多。显然，在Ba一定的情况下，这正意味着，与前面讨论过的出口扩压器中扩张角相当的叶栅之扩张角就很大。由此可见，当气流流过9较大的压气叶栅时，一定比较容易发生气流的脱离现象，

10、同时，还会使气流流动的能量损失增大。这个问题也可以从图533中获得证明。显然，由第3章关系式(324)中己知：,但是当。角加大时，必然也增大，即阻力系数Cm将随之加大。当发生气流脱离现象后，Cm会急剧地增高上去。因而为了避免气流流过压气机叶栅时发生严重的脱离现象，通常，总是把压气机叶型的弯曲角限制在45。角以内。当我们结合第3章图37b来分析关系式(35)时，不难进一步发现：随着压气机叶型弯曲角的减小，必然会导致气流流经动叶栅时Aw11值的减小。这就是说：当压气机叶型的9角受限制时，也正意味着外界通过工作叶轮和动叶栅传递给1kg空气的压缩轴功Iy必将受到了限制，即压气机级的压缩比受到了限制。当我们观察图5-9所示的透平级的速度三角形，并分析式(57)时，可以发现：由于在透平叶栅中气流的膨胀加速过程，附面层的厚度较薄，不易发生气流的脱离现象，气流的折转角可以设计得很大，即h远远大于I*因而透平级的膨胀比就可以加大很多，而级的效率却仍然能够保持相当高的水平。这就是为什么压气机的效率要比透平低，对压气机叶型的要求要比对透平叶型高，以及在整台燃气轮机中，为什么压气机的级数一定要比燃气透平多得多的主要原因所在。