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1、第5章 多级压缩机5.1 导论为了满足性能和稳定运行的并行要求，必须细心执行通过单级的联合到形成多级压缩机。目标是为了获得理想的循环压比和效率，并且提供了为了稳态和顺态的发动机运行的稳定运行范围。全部的多级压缩机特性线图，在单级间存在矛盾的性能匹配。在一个轴流压缩机上，在多级组中没有获得第1级性能的全部范围。在非常低的转速时，在组中最后一级的小面积强迫使第一级运行时接近于喘振或失速。在设计转速下，全部的压比得到发展，且第一级运行接近于节流。另一方面，依赖于第一级和最后一级的配合以及其流量范围，当第一级仍然运行在稳定范围时，最后一级可能引起了喘振。在50和70的转速之间，在多级喘振之前的有一级或
2、多级的旋转失速是普通的。在这章中将评述多级特性。然而在试验数据出现之前，将讨论复杂的级间匹配出现的背景以及理解单级性能联合程度的要求。通过4个独立级间的模型性能来计算4级轴流压缩机的性能。这种练习将阐明独立级间的性能匹配，并且为解释试验结果设置了理解基础。5.2 级间匹配在多级压缩机中，只有使用了独立级的部分的性能特性。在任何给定转速下，一些级的流量范围可以允许在不同级范围的有限量上运行。这决定了多级组的净流量范围。同样的在变化的级中，效率可能没有达到明显一致的峰值。为了阐明典型的多级匹配，在压缩机四个级联合形成4级组的工作特性上提出了讨论。从大陆航空工程公司(1966)在图2.22所示的性能
3、之后模拟出独立级的工作特性。这幅性能特性图有多级匹配需要的性能范围。规格参数表显示了从40到100转速以及从节流到喘振。另外，两条转速线表示允许喘振的性能。这提供了估计在不同转速下流量低于喘振时的压比特性的良好基础。为了产生在匹配时出现的失速特性，在图3.4上从失速单元总表建立了假设的失速结构。为了确定在流量小于喘振时的性能和失速结构，根据流量特性重新绘制图2.22得到所示的图5.1。在图上显示了流量系数的定义。对于多级图解的目的选择的最大单元数目是4。在图3.3上数据集的分布暗示了平均失速结构是1个起初形成3个单元，随后增加到4，然后减少到3，随后是2，1，然后是大规模的湍流。对于这幅图是选
4、择离散的接触面。实际模式大概存在关于1、3、4单元出现瞬时重叠的较宽范围的流量系数。由于这笔练习需要的更复杂，所以没有包括。图2.22上的喘振线也表示在这幅图上，并且作为单级模式的喘振线使用。为了获得关于第1级的压缩机特性线图，在图5.1上定义的失速特性被调换到图2.22上，且结果显示在图5.2上。在100、90、70和50的转速下归纳了压比特性。归纳作为在这幅图上表示的效率特性也是非常必要的。在这幅图上显示了用失速数目表示每个区域的失速区域。关于喘振与失速特性的模型图给出了合理的解释。当获得峰值压比时，末端失速开始。最终喘振发生。在喘振循环恢复部分的过程中，3单元局部范围旋转失速出现在70或
5、更高的转速上。在60转速以下，在喘振过程中的旋转失速是4单元。当流量减少且运行变为稳定时，在60转速上的失速结构从3个局部范围的单元变化到在跃迁到整体范围失速的4个。在较低转速时，单元数目逐渐减少到1并且最终在足够的转速时，存在简单的大规模的湍流。作为单独的级聚合在一起将遇到这些模式。从第1级的线图阐述了关于第2、3和4级的压缩机特性线图。当校正关于第1级出口条件时，在图上表示设计点的条件变为关于第2级的校正设计点流量和转速，以及其他两级的条件等。其次，必须进行决定选择参考转速和流量在图5.2上用来模拟其他级的情况。平常在设计转速和流量下的有关多级分组建立了矢量图。损失、阻塞以及转角的数据能被
6、应用来估计独立级的线图。有许多方法规定了设计条件级载荷，限制的扩压因子等。由于在这里没有使用这个过程，所以决定选择基于近似相等工作的级间的设计匹配点。这是阐明级间匹配的合理假设。对于第2级有如同第1级大约相同的工作，并且在特性线图上使用通用的点表示选择的第2级的设计点，选择第1级90的速度特性作为在图5.3上显示。对于第2级就变为100的速度特性线。在这种转速下选择的设计点流量是在最大效率处。当校正第1级出口条件时，设计点流量当然与在图上表示的流量不同。因此必须应用到的流量数量，并且显示在这幅图的右下侧。为了清楚的表述，虽然失速特性不再重复，但是规定了与显示在图5.2的那些相同。特别的，对于第
7、2级100速度特性的失速模式与在第1级90速度线的第1级失速模式相同。图上的x坐标是下面要讨论的非设计匹配点。相同的逼近(近似相等的工作和使用的流量数量)将第1级特性线图的应用来达到第3和4级的模型。结果显示在图5.4和图5.5上。作为图5.3上表示第1级85的速度线上挑选出的设计点选择为第3级的设计转速。作为图5.4上表示第1级80的速度线上挑选出的设计点选择为第4级的设计转速。流量的数量显示在两幅图的右下侧。当进行匹配运算时，在两条已确立的速度线上插入获得的数据是必要的。这是通过在图上显示x坐标的半直线来表示。也注明了设计转速的百分数值是为了独立级间选择的失速转速的校准。计算程序是使用从基
8、于那个级出口温度的前级和热力学级的校正速度和流量的组合。例如，为了获得第2级校正流量的匹配点，从第1级的流量是通过校正其出口压力与温度来获得关于第2级的参考校正流量。然后应用流量的数量来获得实际校正流量的尺寸。第1级的旋转速度由于校正其出口温度来获得第2级的校正速度。然后应用速度量获得实际校正的转子速度。例如当校正其出口温度时，虽然第1级100的速度是92.6，但是90的速度线用来作为第2级100的速度线。因此，也就是说速度标量是0.972。所以匹配点的位置是由图上第2、3和4级的x坐标表示。在图5.6上显示的结果是4级压缩机特性线图。计算局限在100、70和50的转速。这已充分显示了4级连接
9、组成的匹配结果。喘振流量是选择在压比特性的导数将随着流量的轻微减少变为正值处的那些流量。在多级轴流压缩机中不一定是这种状态。喘振能在这种状态之前发生，依赖于失速状态的强度导致了这种状态。然而使用这种标准将产生多级压缩机的失速特征。从图5.7一直到5.10显示了4个性能特性匹配的影响。在图上包括了多幅的随重叠的独立级的失速与喘振特性的4级线图。每一个重叠表示作为4级匹配结果的在独立级图上截取的不同失速区域。独立级的喘振线也如参考资料中的所示。实践表示独立级的喘振线不需要变为多级组的喘振线。这条线变为多级压缩机的失速线，并且作为产生负向斜率压比特性的其他级相互作用的结果将会获得稳定运行。图5.7表
10、示在4级特性线图上第1级特性的重叠。在100转速时选择的4级喘振流量下，第1级末端失速刚刚开始，并且第1级的喘振流量发生在小于4级喘振点的流量处。在70转速时，第1级的失速模式覆盖了多数的4级流量范围。当峰值效率逼近时，末端失速开始。第1级喘振流量(当作为孤立级试验时)发生在峰值效率处，并且在流量时伴随有3和4单元的旋转失速模式。4级的喘振不可能要求在第1级喘振时的流量处；可能代替的是可听见的高频颤动的噪音。在50的转速时，通过第1级的失速模式覆盖了所有的4级流量范围。节流发生在末端失速处，随后在低流量时有第1级喘振点和4与3单元失速模式。对于第1级在低流量时处于失速状态以及在设计转速时决定多
11、级的节流是普通的。图5.8表示在4级特性线图上的第2级特性的重叠。在所有转速时，第2级末端失速出现大约部分通过流量范围。第2级喘振线实际上与4级喘振线一致。在50的转速时，4个失速单元在4级喘振之前出现。在50和70的转速下的失速图片不如第1级的剧烈。图5.9表示在4级特性线图上的第3级特性的重叠。在100的转速时，末端失速出现部分的通过流量范围。在50和70的转速时，末端失速正好在4级喘振时开始。在图5.1上，第4级的失速特征没有起到影响在50和70转速时喘振的作用。在100转速时，末端失速恰好在4级喘振点开始。这个4级模式显示了多级压缩机典型的喘振与失速特征。通过如图5.5所示的第4级来表
12、示在50和70转速下的节流。其他各级间的相互匹配防止了从作为对图5.10和5.9上分别显示的4级喘振与失速起作用的第4级以及第3级。另一方面第1级被强迫在50转速的所有流量以及70转速的大部分流量的某种失速条件下运行。因为在100和70转速时的峰值压比出现在第2级喘振上，所以第2级对4级喘振起决定作用。与第1级所有的旋转失速特征一致，这将明确的规定了4级喘振。在100转速时，第2和3级在流量范围的大半部分都出现末端失速。当第1和4级末端失速开始时，这些中间级将会最终启动4级的喘振。由于在四个级间的设计点流量匹配的选择以及在性能模式中假定的流量范围，所以在这个实例中这种情况不会发生。在50和70
13、转速下对于4级组的合成失速单元模式取决于前两级独立的失速模式的耦合。在50转速时，由于第2级没有处于失速状态，所以第1级的4单元失速模式占优势。当第2级末端失速开始时，第1级有3个失速单元，且这级可能依然决定了主要模式。在较低流量时，第2级变化到4个单元而第1级有3个单元。这将是在3和4单元之间转换或形成其他多重的周期旋转失速单元的条件。最终达到了第2级的喘振线，并且促成了4级的喘振。这个实例用来阐明多级压缩机要求的喘振与失速特性。在高转速时，入口的级要求定义为多级节流，并且中间级或末级被期望决定失速与喘振。在低转速时，末级决定节流，且这使得第1级进入失速状态。没有复杂的级间匹配计算，可以非常
14、简单的阐明这点。考虑了对于第4级(图5.5)在50转速下的节流值。当流量被校正为如图5.5上的流量标量，节流量为8.4Ibsec，且在近似的大气压条件下(压比等于1)。在这个流量时，第1级(图5.2)处于失速状态。在50的转速和以下时，以及在50转速之上的一些速度范围，因此旋转失速模式将要求出现在4级压缩机上。在下一部分，自许多的多级压缩机的试验数据将研究如何证实。5.3 多级压缩机性能试验数据存在于类似于在上文显示的分析模式中描述的实际多级轴流压缩机的喘振与失速特性的许多参考资料中。失速单元结构，旋转转速以及详细的喘振循环可通过热线风速仪和静压传感器来测量。当对作为独立级以及作为多级组中的一
15、段测试时，引入试验来决定独立级在喘振与失速特性上的相互作用。试验也被引入来决定储液器容量在喘振与失速特性上的影响。5.3.1 NACA的10级轴流压缩机在1953年，为了进行空气动力学试验的探索，NACA设计并试验了1个10级亚音速轴流研究压缩机。图5.11显示了这个压缩机的横截面。末端流迹的半径是20英寸。设计压缩机达到在校正质量流量为57.5Ibsec时的整体压比为6.45:1。安装叶片设计为轴对称的速度分布图以及从中心到末端近似以恒定功率增加。空气动力学设计是Johnsen(1952)文献中报道，并且试验结果在Budinger和Thomson(1952)文献中出现。喘振与失速特性在Hup
16、pert等人(1953)的文献中出现过。热线风速仪被安装在如图5.11上定义的2到22测量点。探针位于前4级，第7级以及第10级的出口处。其他的探针放在转子1和5的后面。所有的探针都被安装在径向旋转的激励器上。这个仪器设备允许在旋转失速如同通过压缩机长度的轴向旋转失速持续性过程中的流量脉冲振幅径向变化的测定。另外，两个或多个探针安装在转子1、定子1和转子5之后来决定在这些位置处失速区域的数目。压力传感器放置在入口的0测点以及压缩机出口的23和24测点。轮盖静压以及通道中部的总压是在0测点处测量。气缸静压是在23测点处测量，而中部通道总压是在24测点处测量。图5.12显示了压缩机的性能。除了采用不同速度定义线上的点之外，另外的点是采用在70和80速度之间更为精确定义的喘振线。热线探针在50、60和70转速是探测到旋转失速。图
