葉輪機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

1、1“葉輪機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)葉輪機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)”教學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書教學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書教學(xué)實(shí)驗(yàn)名稱：葉輪機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)TurbomachineryDesignExperiment學(xué)分學(xué)時(shí)：0.516適用專業(yè)：航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、交通運(yùn)輸工具先修課程和環(huán)節(jié)：航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理、葉輪機(jī)械原理一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?）掌握離心式壓氣機(jī)和向心式渦輪的基本氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法；2）掌握離心式壓氣機(jī)和向心式渦輪的基本性能測量。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及基本原理二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及基本原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)

2、容應(yīng)用所學(xué)過的葉輪機(jī)原理基本知識(shí)，進(jìn)行離心式壓氣機(jī)和向心式渦輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，包括：壓氣機(jī)和渦輪共同工作參數(shù)確定、壓氣機(jī)和渦輪進(jìn)出口速度三角形設(shè)計(jì)、葉型（中弧線）設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子和靜子葉片數(shù)目確定等。加工和制作試驗(yàn)用壓氣機(jī)和渦輪，并進(jìn)行壓氣機(jī)渦輪的增壓比落壓比、流量和轉(zhuǎn)速等葉輪機(jī)基本性能參數(shù)的測量。基本原理基本原理1)基本方程：Δh=Lu=ω(r2C2ur1C1u)方程給出了氣流經(jīng)過以角速度ω旋轉(zhuǎn)的葉柵時(shí)的滯止焓的變化Cu表示氣流的周向分速度，該

3、方程基于簡單力學(xué)原理并且假定流動(dòng)過程為絕熱過程。當(dāng)氣流通過靜子葉柵時(shí)（ω=0），滯止焓不變。對(duì)壓氣機(jī)來說，滯止焓變化Δh為正值；對(duì)渦輪來說，滯止焓變化Δh為負(fù)值。當(dāng)流動(dòng)過程為不可壓流動(dòng)時(shí):1cccPh?????TTTPh?????其中ΔPc和ΔPT分別表示氣流流經(jīng)壓氣機(jī)和渦輪時(shí)的總壓變化。當(dāng)空氣從靜止的大氣環(huán)境中被吸入壓氣機(jī)時(shí)，在進(jìn)入壓氣機(jī)時(shí)沒有周向分速度，即C1u=0。當(dāng)氣體離開渦輪時(shí)，如果氣流的周向分速度不為零，將會(huì)增加渦輪出口至真

4、空泵進(jìn)口管路中的流動(dòng)摩擦損失。因此，在設(shè)計(jì)狀態(tài)下，渦輪轉(zhuǎn)子出口氣流的周向分速度應(yīng)該為零（C4u=0）。壓氣機(jī)和渦輪的轉(zhuǎn)子或靜子的進(jìn)、出口徑向分速度可通過連續(xù)方程得出：Cr=m(2πρrh)其中m為流量，h為葉片的軸向?qū)挾?，ρ為空氣密度。知道徑向和周向兩個(gè)分速度后，可計(jì)算出相對(duì)靜葉和動(dòng)葉的氣流方向。3算流量，這樣做比預(yù)先選定轉(zhuǎn)速和流量再算葉片幾何出口角要容易些，最佳的β2值需經(jīng)過較詳細(xì)的計(jì)算才能確定，要從流動(dòng)效率高和易于制造兩個(gè)方面考慮來

5、選擇合適的值。確定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子葉片幾何出口角β2和加功量后，可以求出壓氣機(jī)的流量和氣流流入擴(kuò)壓器的速度。由于氣流離開轉(zhuǎn)子不是完全以葉型的幾何出氣角流出，而總是有一點(diǎn)“滑移”，造成實(shí)際的C2u值小于理想值（氣流以葉型的幾何出氣角流出轉(zhuǎn)子時(shí)的C2u）。通過引入滑移因子σ，可以計(jì)算實(shí)際的C2u。Weisner定義滑移因子σ：σ=1（C2u，理想C2u，實(shí)際）u2σ的值與許多因素有關(guān)，尤其是由葉片數(shù)目。常用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下：σ=1(cosβ2)0.

6、5N0.7其中N是葉片數(shù)。開始計(jì)算時(shí)，可初定σ=0.85，在初算時(shí)不改變?chǔ)业闹担駝t求解葉片數(shù)目的迭代計(jì)算可能會(huì)發(fā)散，在葉片數(shù)目確定以后，重新計(jì)算σ的值并代入計(jì)算。理想的C2u計(jì)算很簡單，C2u，理想=（u2C2rtanβ2）對(duì)于前彎葉片β2是正值，對(duì)于后彎葉片β2是負(fù)值。C2u，實(shí)際=(σu2C2rtanβ2)將C2u，實(shí)際代入能量方程，得：??TrcucuNCuumCumL????222222tan??其中mc為壓氣機(jī)流量，NT為渦

7、輪輸出功率，C2r由連續(xù)方程求出：hrmCcr??222?其中h為轉(zhuǎn)子葉片軸向?qū)挾?，將C2r代入能量方程，可得到求解流量的方程：02tan222222???TccNmumhru????這是一個(gè)一元二次方程，mc取其合理解（較小值解）。給定轉(zhuǎn)子出口半徑r2、轉(zhuǎn)速和渦輪功率后，可以在前彎和后彎葉片范圍內(nèi)選擇β2，并求出相應(yīng)的流量，流量確定后可以計(jì)算出動(dòng)葉進(jìn)、出口氣流的絕對(duì)速度和相對(duì)速度，當(dāng)給定轉(zhuǎn)子進(jìn)口設(shè)計(jì)攻角為零攻角時(shí)，葉型幾何進(jìn)口角β1等

8、于相對(duì)氣流角α1rel。要注意檢查動(dòng)葉出口相對(duì)速度與進(jìn)口相對(duì)速度比值，這個(gè)比值不應(yīng)太小，否則動(dòng)葉的邊界層可能分離，典型的W2W1〉0.5，后彎角度越大，速度比值也越大，邊界層分離的可能越小。動(dòng)葉數(shù)目是一個(gè)很重要的參數(shù)，若葉片數(shù)目太多，葉片表面與氣流的摩擦損失大，若葉片數(shù)太少，氣流從葉片表面分離也將引起大的損失，可以通過以下方法簡單估算所需的葉片數(shù)目，由于葉片出口受到“滑移”的影響和葉片進(jìn)口受到實(shí)際攻角的影響，以下方法只適用于葉片通道的平

9、均半徑r附近（r為幾何平均半徑）。由動(dòng)量矩方程可以得到：rhPNdrrCdmbbu???)(Nb為葉片數(shù)，h為葉片的軸向?qū)挾龋b表示葉片壓力面和吸力面壓差。假定相對(duì)氣流角與葉片幾何角相等，則：Cu=uCrtanββ為半徑r處的葉型幾何角，其它參數(shù)確定后，上述兩個(gè)式子決定ΔPb的大小。在相同半徑處，葉片兩面的滯止壓力是相等的，即：Ps0.5ρWs2=Pp0.5ρWp2其中下標(biāo)s，p表示吸力面和壓力面，W為氣流的相對(duì)速度?？梢约僭O(shè)從壓力