葉輪機設(shè)計與實驗

1、1“葉輪機設(shè)計與實驗葉輪機設(shè)計與實驗”教學實驗指導書教學實驗指導書教學實驗名稱：葉輪機設(shè)計與實驗TurbomachineryDesignExperiment學分學時：0.516適用專業(yè)：航空發(fā)動機設(shè)計、交通運輸工具先修課程和環(huán)節(jié)：航空發(fā)動機原理、葉輪機械原理一、實驗?zāi)康囊弧嶒災(zāi)康?）掌握離心式壓氣機和向心式渦輪的基本氣動設(shè)計方法；2）掌握離心式壓氣機和向心式渦輪的基本性能測量。二、實驗內(nèi)容及基本原理二、實驗內(nèi)容及基本原理實驗內(nèi)容實驗內(nèi)

2、容應(yīng)用所學過的葉輪機原理基本知識，進行離心式壓氣機和向心式渦輪的氣動設(shè)計，包括：壓氣機和渦輪共同工作參數(shù)確定、壓氣機和渦輪進出口速度三角形設(shè)計、葉型（中弧線）設(shè)計、轉(zhuǎn)子和靜子葉片數(shù)目確定等。加工和制作試驗用壓氣機和渦輪，并進行壓氣機渦輪的增壓比落壓比、流量和轉(zhuǎn)速等葉輪機基本性能參數(shù)的測量?；驹砘驹?)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、方程基于簡單力學原理并且假定流動過程為絕熱過程。當氣流通過靜子葉柵時（ω=0），滯止焓不變。對壓氣機來說，滯止焓變化Δh為正值；對渦輪來說，滯止焓變化Δh為負值。當流動過程為不可壓流動時:1cccPh?????TTTPh?????其中ΔPc和ΔPT分別表示氣流流經(jīng)壓氣機和渦輪時的總壓變化。當空氣從靜止的大氣環(huán)境中被吸入壓氣機時，在進入壓氣機時沒有周向分速度，即C1u=0。當氣體離開渦輪時，如果氣流的周向分速度不為零，將會增加渦輪出口至真

4、空泵進口管路中的流動摩擦損失。因此，在設(shè)計狀態(tài)下，渦輪轉(zhuǎn)子出口氣流的周向分速度應(yīng)該為零（C4u=0）。壓氣機和渦輪的轉(zhuǎn)子或靜子的進、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分速度后，可計算出相對靜葉和動葉的氣流方向。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)過較詳細的計算才能確定，要從流動效率高和易于制造兩個方面考慮來

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，可以求出壓氣機的流量和氣流流入擴壓器的速度。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“滑移”，造成實際的C2u值小于理想值（氣流以葉型的幾何出氣角流出轉(zhuǎn)子時的C2u）。通過引入滑移因子σ，可以計算實際的C2u。Weisner定義滑移因子σ：σ=1（C2u，理想C2u，實際）u2σ的值與許多因素有關(guān)，尤其是由葉片數(shù)目。常用經(jīng)驗關(guān)系式如下：σ=1(cosβ2)0.

6、5N0.7其中N是葉片數(shù)。開始計算時，可初定σ=0.85，在初算時不改變σ的值，否則求解葉片數(shù)目的迭代計算可能會發(fā)散，在葉片數(shù)目確定以后，重新計算σ的值并代入計算。理想的C2u計算很簡單，C2u，理想=（u2C2rtanβ2）對于前彎葉片β2是正值，對于后彎葉片β2是負值。C2u，實際=(σu2C2rtanβ2)將C2u，實際代入能量方程，得：??TrcucuNCuumCumL????222222tan??其中mc為壓氣機流量，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，流量確定后可以計算出動葉進、出口氣流的絕對速度和相對速度，當給定轉(zhuǎn)子進口設(shè)計攻角為零攻角時，葉型幾何進口角β1等

8、于相對氣流角α1rel。要注意檢查動葉出口相對速度與進口相對速度比值，這個比值不應(yīng)太小，否則動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。動葉數(shù)目是一個很重要的參數(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”的影響和葉片進口受到實際攻角的影響，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s，p表示吸力面和壓力面，W為氣流的相對速度。可以假設(shè)從壓力