壓氣機(jī)

壓氣機(jī)都是按給定的進(jìn)氣條件、轉(zhuǎn)速、增壓比和空氣流量設(shè)計(jì)的，但其工作狀態(tài)（工作環(huán)境的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速和空氣流量等）實(shí)際上是變化的，壓氣機(jī)在各種工作狀態(tài)下的性能稱為壓氣機(jī)特性。在一定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓氣機(jī)的增壓比增大到某一數(shù)值時(shí)，壓氣機(jī)就會進(jìn)入不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，很容易發(fā)生喘振，使整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生低頻大振幅的氣流軸向脈動(dòng)，甚至?xí)l(fā)生瞬間氣流倒流的現(xiàn)象。壓氣機(jī)喘振可能導(dǎo)致葉片斷裂、結(jié)構(gòu)損壞、燃燒室超溫和發(fā)動(dòng)機(jī)熄火停車。為避免發(fā)生喘振可以采取下列措施：

①按轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)某幾級整流葉片的安裝角，使流入的氣流具有合適的迎角，避免氣流分離而造成喘振。

②將多級壓氣機(jī)分成2個(gè)不同轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子,分別由高、低壓渦輪驅(qū)動(dòng)。有些發(fā)動(dòng)機(jī)采用3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

③多級軸流式壓氣機(jī)從中間級放氣，以增加前面各級的空氣流量，避免氣流的迎角過大，產(chǎn)生分離，出現(xiàn)喘振。

④多級軸流式壓氣機(jī)在第一級壓氣機(jī)的機(jī)匣上開槽，使第一級工作輪葉片尖端部分的氣流通過機(jī)匣上的槽道產(chǎn)生回流，減小氣流的迎角，這種方法稱為機(jī)匣處理。

葉片振動(dòng) 　壓氣機(jī)葉片常因振動(dòng)而產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。振動(dòng)分為兩類：一類是在周期性外力作用下發(fā)生的葉片振動(dòng)，稱為強(qiáng)迫振動(dòng)。周期性的外力來自工作輪葉片和整流器葉片之間的相互干擾、工作輪葉片的旋轉(zhuǎn)失速等。另一類是由葉片自身的振動(dòng)以及與相鄰葉片自身振動(dòng)相互干擾而形成的，稱為葉片自激振動(dòng)或葉片顫振。為了避免葉片顫振，工作輪上兩相鄰葉片可采用不同的厚度，以改變它們的固有頻率。

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)按照“工作循環(huán)”工作。它從大氣中吸進(jìn)空氣，經(jīng)壓縮和加熱這一過程之后，得到能量和動(dòng)量的空氣以高達(dá)2000英尺/秒(610米/秒)或者大約1400英里/小時(shí)(2253公里/小時(shí))的速度從推進(jìn)噴管中排出。在高速噴氣流噴出發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，同時(shí)帶動(dòng)壓氣機(jī)和渦輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，維持“工作循環(huán)”。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械布局比較簡單，因?yàn)樗话瑑蓚€(gè)主要旋轉(zhuǎn)部分，即壓氣機(jī)和渦輪，還有一個(gè)或者若干個(gè)燃燒室。然而，并非這種發(fā)動(dòng)機(jī)的所有方面都具有這種簡單性，因?yàn)闊崃蜌鈩?dòng)力問題是比較復(fù)雜的。這些問題是由燃燒室和渦輪的高工作溫度、通過壓氣機(jī)和渦輪葉片而不斷變化著的氣流、以及排出燃?xì)獠⑿纬赏七M(jìn)噴氣流的排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作造成的。

離心式壓氣機(jī)由導(dǎo)風(fēng)輪、葉輪、擴(kuò)壓器等組成(圖1)?？諝庥蛇M(jìn)氣道進(jìn)入壓氣機(jī)、經(jīng)過與葉輪一起旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)風(fēng)輪的導(dǎo)引進(jìn)入葉輪。在高速旋轉(zhuǎn)葉輪作用下，空氣由葉輪中心被離心力甩向葉輪外緣，壓力也逐漸提高，由葉輪流出的空氣進(jìn)入擴(kuò)壓器后速度降低，壓力再次提高，最后由出氣管流出壓氣機(jī)。

離心式壓氣機(jī)的空氣流量為數(shù)公斤至數(shù)十公斤每秒。亞音速離心式壓氣機(jī)的增壓比約為4.5,超音速離心式壓氣機(jī)可達(dá)8～10，效率約為0.78。

軸流式壓氣機(jī) 　空氣在軸流式壓氣機(jī)中主要沿軸向流動(dòng)。它由轉(zhuǎn)子（又稱工作輪，圖2有色部分）和靜子（又稱整流器，圖2 無色部分）兩部分組成。由一排轉(zhuǎn)子葉片和一排靜子葉片組成一級，單級的增壓比很小，為了獲得較高的增壓比，一般都采用如圖所示的多級結(jié)構(gòu)。空氣在壓氣機(jī)中被逐級增壓后，密度和溫度也逐級提高。

軸流式壓氣機(jī)的空氣流量為幾公斤每秒到二百公斤每秒，單級增壓比一般約為1.1～2.0，效率約為0.85～0.88。多級軸流式壓氣機(jī)的增壓比可達(dá)25以上。軸流式壓氣機(jī)的面積小，增壓比和效率都高，已廣泛用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中。

壓氣機(jī)出口空氣總壓與進(jìn)口空氣總壓之比稱為壓氣機(jī)增壓比，增壓比相同時(shí)，理論上所需的壓縮功與實(shí)際消耗的機(jī)械功之比稱為壓氣機(jī)效率。壓氣機(jī)可分為離心式與軸流式兩大類，兼有兩類特點(diǎn)的稱為混合式壓氣機(jī)。按氣流流入壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的相對速度，壓氣機(jī)又可分為亞音速的、跨亞音速的和超音速三種形式。

發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音由尖哨轉(zhuǎn)變?yōu)榈统?；發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)加大；壓氣機(jī)出口總壓和流量大幅度的波動(dòng)；轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，推力突然下降并且有大幅度的波動(dòng)；發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度升高，造成超溫；嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生放炮，氣流中斷而發(fā)生熄火停車。因此，一旦發(fā)生上述現(xiàn)象，必須立即采取措施，使壓氣機(jī)退出喘振工作狀態(tài)。

壓氣機(jī)離心式

由進(jìn)氣系統(tǒng)、葉輪、擴(kuò)壓器、集氣管等四部分組成

在葉輪的中央(入口)吸入空氣，離心力使空氣以高速自徑向進(jìn)入擴(kuò)壓器通道，在擴(kuò)壓器中，氣流被減速，獲得壓升

轉(zhuǎn)子和擴(kuò)壓器的葉片，有各種形狀，根據(jù)壓力-速度特性要求選用

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，性能比較穩(wěn)定

缺點(diǎn)：效率較低，迎風(fēng)面積大

20世紀(jì)50年代以后，除小型渦軸、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)以外，不再使用離心式壓氣機(jī)

與軸流壓氣機(jī)配合，作為壓氣機(jī)的最后一級

研究中的離心式壓氣機(jī)增壓比可以達(dá)到12以上

離心壓氣機(jī)最小流量受喘振工況的限制，最大流量受阻塞工況的限制

可以采用變轉(zhuǎn)速、進(jìn)口節(jié)流、出口節(jié)流和可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉等方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以擴(kuò)大運(yùn)行工況范圍

阻塞：氣流受到葉片的作用和流線曲率的影響而收縮，

在進(jìn)口附近形成局部的超聲速區(qū)，超聲速去擴(kuò)展到整

個(gè)喉部截面時(shí)，氣體流量達(dá)最大值，不能再增加的現(xiàn)象

壓氣機(jī)軸流式

氣體沿接近軸向流動(dòng)的壓氣機(jī)，一般又稱為軸流鼓風(fēng)機(jī)；動(dòng)葉加速流體，靜葉起擴(kuò)壓器作用，把速度轉(zhuǎn)化成壓升。近似于反動(dòng)式渦輪機(jī)的逆過程

軸流壓氣機(jī)廣泛用于燃?xì)廨啓C(jī)裝置、高爐鼓風(fēng)、空氣分離、天然氣液化、重油催化等裝置中壓送空氣和其他氣體

軸流式壓氣機(jī)的級= 一列轉(zhuǎn)子葉列 （緊接著的）一列靜子葉列

轉(zhuǎn)子葉片固定在轉(zhuǎn)鼓上，靜子葉片固定在氣缸上

動(dòng)葉，動(dòng)能?流體，壓力稍稍升高；靜子列，流體的壓力進(jìn)一步升高

高壓比的裝置，壓氣機(jī)級數(shù)>20

進(jìn)口導(dǎo)葉，沒有壓升，不屬于壓氣機(jī)第一級。

目的：氣流在進(jìn)入第一級時(shí)獲得所需要的流場分布

空氣通過軸流壓氣機(jī)不斷受到壓縮，空氣比容減小、密度增加。因而，軸流壓氣機(jī)的通道截面積逐級減小，呈收斂形，壓氣機(jī)出口截面積比進(jìn)口截面積要小得多

壓氣機(jī)流道vs渦輪流道

截面積↗?減速、升壓? 動(dòng)能轉(zhuǎn)化成升壓

截面積↘?增速、降壓? 動(dòng)能增加

注意：相對速度

壓氣機(jī)增壓原理

氣流通過基元級時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片給氣流作功加壓，使氣流在基元級出口處總壓和總溫都比進(jìn)口處高

壓氣機(jī)基元級效率：獲得相同的總壓增壓比，

理想絕熱壓縮功 / 實(shí)際壓縮功

壓氣機(jī)基元級氣流參數(shù)沿葉高方向變化很大 因?yàn)椋?

工作輪基元級的切線速度u沿葉高不相等，使得工作輪對氣流所作的功沿葉高不相等。

工作輪后空氣旋轉(zhuǎn)流場中，必然產(chǎn)生徑向壓力差，半徑越大，靜壓越高，使氣體微團(tuán)產(chǎn)生向心加速度

?改變?nèi)~片形狀（工作輪葉片和導(dǎo)流器葉片呈扭曲狀 ）

軸流式壓氣機(jī)某一級出現(xiàn)失速，并不是沿整個(gè)環(huán)面同時(shí)發(fā)生，而是在部分葉片中某個(gè)部位上首先發(fā)生，而且失速區(qū)不是固定在這些葉片上。失速區(qū)相對于工作輪葉柵向與旋轉(zhuǎn)方向相反的方向移動(dòng)。

多級軸流壓氣機(jī)，在下面兩種情況下容易發(fā)生喘振：

在一定轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，若出口反壓增大，使空氣流量降低到一定程度時(shí)，就會出現(xiàn)喘振

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)偏離設(shè)計(jì)工作狀況而降低轉(zhuǎn)速時(shí)容易發(fā)生喘振

設(shè)計(jì)增壓比較低的多級軸流壓氣機(jī)，進(jìn)出口截面積的變化較小，不容易發(fā)生喘振

喘振發(fā)生時(shí)，出現(xiàn)強(qiáng)烈的不穩(wěn)定工作現(xiàn)象：流過壓氣機(jī)的氣流沿壓氣機(jī)的軸線方向產(chǎn)生低頻高振幅的強(qiáng)烈振蕩，壓氣機(jī)出口平均壓力急劇下降，出口總壓、流量、流速產(chǎn)生大幅度脈動(dòng)，并伴隨有強(qiáng)烈放炮聲

壓氣機(jī)防喘措施

①從多級軸流壓氣機(jī)的某一個(gè)或數(shù)個(gè)中間截面放氣

當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速低于一定數(shù)值時(shí)將放氣門打開，其目的是為了增加前幾級壓氣機(jī)的空氣流量，避免前幾級因攻角過大而產(chǎn)生氣流分離。中間級放氣也避免了后幾級壓氣機(jī)進(jìn)口流速過大，攻角過小，甚至為負(fù)值，使增壓比和效率降低的現(xiàn)象

簡單，不經(jīng)濟(jì)（把已經(jīng)壓縮過的空氣放到周圍大氣中去，損失了壓縮這部分空氣的機(jī)械功）

②第一級采用可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉和靜葉，低轉(zhuǎn)速時(shí)，它們可以閉攏? 提高氣流的軸向速度，防止失速，以致可以接近最佳運(yùn)轉(zhuǎn)工況。（最后幾級用可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉和靜葉也可）

③采用雙軸或三軸結(jié)構(gòu)

單級增壓比很小1.15~1.35，為了獲得較高的增壓比，一般采用多級結(jié)構(gòu)?？諝庠趬簹鈾C(jī)中被逐級增壓后，密度和溫度也逐級提高

軸流壓縮機(jī)的主要性能參數(shù)：壓力、流量、功率、效率、轉(zhuǎn)速。

最小流量受喘振工況限制，最大流量受阻塞工況限制?？梢圆捎米冝D(zhuǎn)速、進(jìn)口節(jié)流、出口節(jié)流和可調(diào)靜葉等方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以擴(kuò)大運(yùn)行工況范圍

壓氣機(jī)相關(guān)比較

離心式壓氣機(jī)

優(yōu)點(diǎn)：壓氣機(jī)級壓比高、有良好的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍 、在運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)能保持良好效率 制造容易、成本低 重量輕

缺點(diǎn)：橫截面積大，損失隨著級數(shù)增大? 最多2級

軸流式壓氣機(jī)

優(yōu)： 峰值效率較高，用損失低的許多級可以達(dá)到高壓比，橫截面積小，質(zhì)量流量大

缺：效率良好的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍狹窄，制造費(fèi)用高，重量大，起動(dòng)功率（可能）較高

由于攻角過大，使氣流在葉背處發(fā)生分離而且這種氣流分離嚴(yán)重?cái)U(kuò)展至整個(gè)葉柵通道。

壓氣機(jī)喘振是氣流沿壓氣機(jī)軸線方向發(fā)生的低頻率，高振幅的震蕩現(xiàn)象。這種低頻率高振幅的氣流振蕩是一種很大的激振力來源，他會導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件的強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)和熱端超溫，并在很短的時(shí)間內(nèi)造成機(jī)件的嚴(yán)重?fù)p壞，所以在任何狀態(tài)下都不允許壓氣機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)工作。

1、給氣動(dòng)設(shè)備以氣源 2、（輪胎）充氣 3、噴漆、噴涂 4、好氧發(fā)酵罐內(nèi)充氣（經(jīng)過殺菌、過濾）5、等離子切割的氣源6、氣動(dòng)工具氣源等。

壓氣機(jī)喘振是氣流沿壓氣機(jī)軸線方向發(fā)生的低頻率、高振幅的振蕩現(xiàn)象。壓氣機(jī)喘振是多級軸流式壓氣機(jī)始終要面對的課題 。

低壓壓氣機(jī)，是指在雙轉(zhuǎn)子或三轉(zhuǎn)子燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中把氣流壓縮到低出口壓力的第一個(gè)壓氣機(jī)。

中文名稱

低壓壓氣機(jī)

英文名稱

low pressure compressor

定　　義

在雙轉(zhuǎn)子或三轉(zhuǎn)子燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)中第一個(gè)壓氣機(jī)。

應(yīng)用學(xué)科

航空科技（一級學(xué)科），推進(jìn)技術(shù)與航空動(dòng)力裝置（二級學(xué)科）