叶轮机设计与实验

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1、“叶轮机设计与实验”教学实验指导书教学实验名称：叶轮机设计与实验TurbomachineryDesignandExperiment学分/学时：0.5/16适用专业：航空发动机设计、交通运输工具先修课程和环节：航空发动机原理、叶轮机械原理一、实验目的1）掌握离心式压气机和向心式涡轮的基本气动设计方法；2）掌握离心式压气机和向心式涡轮的基本性能测量。二、实验内容及基本原理实验内容应用所学过的叶轮机原理基本知识，进行离心式压气机和向心式涡轮的气动设计，包括：压气机和涡轮共同工作参数确定、压气机和涡轮进出口速度三角形设计、叶型（中弧线）设计、转子和静子叶片数目确定等。加

2、工和制作试验用压气机和涡轮，并进行压气机/涡轮的增压比/落压比、流量和转速等叶轮机基本性能参数的测量。基本原理1)基本方程：Δh*=Lu=ω(r2C2u-r1C1u)方程给出了气流经过以角速度ω旋转的叶栅时的滞止焓的变化,Cu表示气流的周向分速度，该方程基于简单力学原理并且假定流动过程为绝热过程。当气流通过静子叶栅时（ω=0），滞止焓不变。对压气机来说，滞止焓变化Δh*为正值；对涡轮来说，滞止焓变化Δh*为负值。当流动过程为不可压流动时:其中ΔP*c和ΔP*T分别表示气流流经压气机和涡轮时的总压变化。当空气从静止的大气环境中被吸入压气机时，在进入压气机时没有周向

3、分速度，即C1u=0。当气体离开涡轮时，如果气流的周向分速度不为零，将会增加涡轮出口至真空泵进口管路中的流动摩擦损失。因此，在设计状态下，涡轮转子出口气流的周向分速度应该为零（C4u=0）。压气机和涡轮的转子或静子的进、出口径向分速度可通过连续方程得出：Cr=m/(2πρrh)其中m为流量，h为叶片的轴向宽度，ρ为空气密度。知道径向和周向两个分速度后，可计算出相对静叶和动叶的气流方向。10动叶：tan(αrel)=(Cu-ωr)/Cr静叶：tan(α)=Cu/Crα为绝对速度气流角，αrel为相对速度气流角，以气流的切线方向分速度Cu或Wu（Wu=Cu-ωr）与

4、转子旋转方向相同为正值。此外，叶型几何构造角以β表示。2)压气机转子叶片离心式压气机由动叶和静叶组成，动叶提高气体的动能和静压（静压升高约占总静压升的一半），静叶使气体的动能尽可能多地转换成静压升高。假定流动过程是无粘的，气体通过静叶时的静压升高可以用伯努力方程计算。实际的扩压过程远非等熵过程，实际扩压过程的压升小于等熵过程的压升，扩压效率通常为70%左右。前弯径向后弯转子叶片可以是如图所示的前弯、径向和后弯式，在转速一定的条件下，前弯角度越大，转子叶片出口的Cu越大，叶片对气体的加功量越大。或者在加功量一定的条件下（受涡轮所能发出的功率限制），动叶的前弯角越大

5、所需要的旋转速度越小，转速越低，压气机或涡轮的机械损失（轴承中摩擦损失）越小，但是这将增加气体离开动叶时的绝对速度，增加气体在静叶中的静压升，同时也将增加静叶中的流动损失。因此，在设计转速较高时，转子叶片选择后弯叶型，可以在满足一定加功量的同时，获得较高的效率。10设计转速确定后，可以先选定动叶几何出口角β2，再根据加功量（涡轮输出功率）计算流量，这样做比预先选定转速和流量再算叶片几何出口角要容易些，最佳的β2值需经过较详细的计算才能确定，要从流动效率高和易于制造两个方面考虑来选择合适的值。确定转速、转子叶片几何出口角β2和加功量后，可以求出压气机的流量和气流流

6、入扩压器的速度。由于气流离开转子不是完全以叶型的几何出气角流出，而总是有一点“滑移”，造成实际的C2u值小于理想值（气流以叶型的几何出气角流出转子时的C2u）。通过引入滑移因子σ，可以计算实际的C2u。Weisner定义滑移因子σ：σ=1-（C2u，理想-C2u，实际）/u2σ的值与许多因素有关，尤其是由叶片数目。常用经验关系式如下：σ=1-(cosβ2)0.5/N0.7其中N是叶片数。开始计算时，可初定σ=0.85，在初算时不改变σ的值，否则求解叶片数目的迭代计算可能会发散，在叶片数目确定以后，重新计算σ的值并代入计算。理想的C2u计算很简单，C2u，理想=（

7、u2+C2rtanβ2）,对于前弯叶片β2是正值，对于后弯叶片β2是负值。C2u，实际=(σu2+C2rtanβ2)将C2u，实际代入能量方程，得：其中mc为压气机流量，NT为涡轮输出功率，C2r由连续方程求出：其中h为转子叶片轴向宽度，将C2r代入能量方程，可得到求解流量的方程：这是一个一元二次方程，mc取其合理解（较小值解）。给定转子出口半径r2、转速和涡轮功率后，可以在前弯和后弯叶片范围内选择β2，并求出相应的流量，流量确定后可以计算出动叶进、出口气流的绝对速度和相对速度，当给定转子进口设计攻角为零攻角时，叶型几何进口角β1等于相对气流角α1rel。要注意

8、检查动叶出口相对速度与进