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1、第二章第二章 压气机压气机压气机的特点及应用；压气机的特点及应用；轴流式压气机级、基元级的工作原理；轴流式压气机级、基元级的工作原理；轴流式压气机中的能量损失；轴流式压气机中的能量损失；多级压气机；多级压气机；压气机变工况工作特性；压气机变工况工作特性；压气机喘振及防止方法。压气机喘振及防止方法。一、单级压气机的特性曲线一、单级压气机的特性曲线 （压气机级）（压气机级） 压比曲线压比曲线 当转速当转速nc一定一定时时，压压比曲比曲线线可分可分为为左、右两左、右两侧侧支。支。 在特性在特性线线上某点上某点o处处的的压压比最高。比最高。效率曲线效率曲线 在转速在转速nc一定一定时时，有一个流量，有
2、一个流量使效率最高，此使效率最高，此时时流阻最小。流阻最小。 当流量当流量Gc增加或减少增加或减少时时，都使流，都使流阻增大，效率阻增大，效率下降。下降。 压气机只能在喘压气机只能在喘振边界线的右侧工作。振边界线的右侧工作。等效率线等效率线压气机变工况工作特性压气机变工况工作特性二、多级压气机的特性曲线二、多级压气机的特性曲线 （轴流式）（轴流式）主要区别：主要区别： 多级压气机的压比曲线，一般不存在多级压气机的压比曲线，一般不存在左侧支，喘振在右侧支上出现。左侧支，喘振在右侧支上出现。（喘振点的压比为该转速的最高压比）（喘振点的压比为该转速的最高压比） 在相同转速下，多级压气机的压比、在相同
3、转速下，多级压气机的压比、效率的变化比单级的更剧烈，即特性效率的变化比单级的更剧烈，即特性曲线变得更陡峭。曲线变得更陡峭。（在转速不变时，正常工作范围较小）（在转速不变时，正常工作范围较小） 压气机的转速愈高，多级压气机的特压气机的转速愈高，多级压气机的特性曲线显得愈陡峭。性曲线显得愈陡峭。三、压气机的通用特性曲线三、压气机的通用特性曲线折合流量折合流量 折合转速折合转速压比压比效率效率本次课主讲 压气机喘振及其防止方法 燃气涡轮概述2-6 压气机喘振及防止方法 一、压气机喘振一、压气机喘振1、喘振现象、喘振现象 气流呈现不稳定现象，气流参数气流呈现不稳定现象，气流参数出现大幅度波动，压力时高
4、时低、出现大幅度波动，压力时高时低、流量时大时小，甚至会出现倒流，流量时大时小，甚至会出现倒流，机器伴随强烈的机械振动，同时发机器伴随强烈的机械振动，同时发出特有的噪声。出特有的噪声。 俗称俗称“气喘气喘” 压气机绝对不允许出现喘振工况。2、喘振产生的原因、喘振产生的原因n设计工况：设计工况：n压气机通流部分和叶片形状，均与设计工况压气机通流部分和叶片形状，均与设计工况的气流参数相适应的气流参数相适应n工作稳定，不会出现喘振工作稳定，不会出现喘振。n非设计工况：非设计工况：n压气机结构形式不再改变，但气流参数发生压气机结构形式不再改变，但气流参数发生变化，二者不相适应变化，二者不相适应n工作性
5、能变化（产生不稳定工况）工作性能变化（产生不稳定工况）u动叶动叶 讨论：讨论：一个压气机级一个压气机级 （转速不变、流量发生变化时的变工况）（转速不变、流量发生变化时的变工况）a a）设计流量设计流量 1= 1c 1c叶片进气角；叶片进气角； 1气流进气角。气流进气角。冲角冲角i = 1c- 1 = 0w1w2c1xwu1 1c2u动叶动叶 b）大流量大流量 1 1c 出现出现负冲角负冲角 i 0w1w2c1xwu1堵塞堵塞 连续性方程：连续性方程：Gc= A c1x Gc， A，则则c1x； w1、 1，此时此时i 0。 2基本不变基本不变 ， ， wu减小减小； 加功量加功量L降低降低，压
6、比下降压比下降。 若过分加大负冲角，叶腹上的边界层会出现分离，若过分加大负冲角，叶腹上的边界层会出现分离，严重时可导致严重时可导致叶片通道堵塞叶片通道堵塞。2u动叶动叶 c）小流量小流量 10w1w2c1xwu1 Gc， A，则则c1x； w1、 1，此时此时i 0。 2基本不变基本不变 ，则则 wu； 加功量加功量L，压比增加压比增加。2u 当冲角增大到一定程度后，气流撞击叶腹前缘，并在叶背产生旋涡，使气流不再沿着叶栅中设计好的路线流动，这种现象称为气体脱流（或气体脱离）。旋涡旋涡 当气体流量进一步减小，则当气体流量进一步减小，则c1x亦减小到一定程度，此时亦减小到一定程度，此时正冲角正冲角
7、i 已变得太大已变得太大，甚至超过临界冲角，甚至超过临界冲角，气流在叶背发生气流在叶背发生严重的气体脱离严重的气体脱离，以致叶栅内气流已无法维持原来的性质，以致叶栅内气流已无法维持原来的性质，旋涡使一部分气体倒流旋涡使一部分气体倒流，此时，此时气体顺利转折和压缩已不可能气体顺利转折和压缩已不可能，气流参数出现强烈的脉动气流参数出现强烈的脉动。这就是。这就是压气机喘振压气机喘振。 压气机级压气机级喘振的原因：喘振的原因：n在恒速运行工况下，由于气体流量减小，正冲角增加到使气流严重地从叶片背部脱离造成的。 3、多级压气机的喘振、多级压气机的喘振气体脱离现象具有逐级放大的作用。喘振能造成强烈的气流脉
8、动和机械振动，严重时立即损坏机器。 多级压气机多级压气机出现喘振的次序出现喘振的次序 （1 1）恒速运行）恒速运行n Gc，第一级气体冲角，第一级气体冲角i1，出口压力提高；出口压力提高； n当气流进入第二级中，其密度增大，则其当气流进入第二级中，其密度增大，则其cx更要减小，更要减小，则冲角比第一级时还要大，则冲角比第一级时还要大， i2 i1 ；n这样一级一级地积累，在最后一级这样一级一级地积累，在最后一级z，气流轴向分速，气流轴向分速cx最小，正冲角最小，正冲角iZ达到最大值，偏离设计值最远。达到最大值，偏离设计值最远。n故故转速不变时，转速不变时，当流量减少到一定程度时，在当流量减少到
9、一定程度时，在末级末级首先发生气体脱离和喘振首先发生气体脱离和喘振。n若继续减小流量，则若继续减小流量，则喘振会从后面一直向前面级传喘振会从后面一直向前面级传递，同时喘振强度也越来越大递，同时喘振强度也越来越大，形成强烈振动，伴，形成强烈振动，伴有气喘声。有气喘声。 （2 2）启动过程）启动过程转速转速n nc c从从0 0逐步上升到工作转速逐步上升到工作转速。n当转速小于工作转速时，各级压比均小于设计值。当转速小于工作转速时，各级压比均小于设计值。n此时第二级的轴向分速相对于第一级要大些，即此时第二级的轴向分速相对于第一级要大些，即第一级中气流轴向分速最小、正冲角最大第一级中气流轴向分速最小
10、、正冲角最大。n启动过程中往往是启动过程中往往是第一级第一级首先发生喘振首先发生喘振。二、防止喘振的方法二、防止喘振的方法n恒速运行时，通过限制运行工况来防喘。恒速运行时，通过限制运行工况来防喘。n压气机启动过程中压气机启动过程中的防喘方法的防喘方法 主要讨论主要讨论1 1、放、放 气装置气装置从压气机通流部分的一个或几个截面上引出空气，从压气机通流部分的一个或几个截面上引出空气，放到大气中或重新引回压气机进口。放到大气中或重新引回压气机进口。nA A、当压气机达到喘振状态时，迅速打开放气系统。、当压气机达到喘振状态时，迅速打开放气系统。nB B、在压气机的启动过程中，放气系统一直打开，直、在
11、压气机的启动过程中，放气系统一直打开，直到转速上升到消除喘振出现的危险时关闭。到转速上升到消除喘振出现的危险时关闭。 放气防喘的原理放气防喘的原理压气机转速降低时，压气机转速降低时，n压气机前几级的流量将低于设计值，并出现大的正冲角，易发生气体脱流导致喘振；后几级的流量将可能大于设计值，并出现大的负冲角，易发生堵塞。n放气系统打开后，放气口截面前的各级流量将相对增加（不致引起喘振）；而放气口截面后的各级流量将相对减小（不致引起堵塞）。 n放气系统可以调节气流的冲角变化趋势，使冲角都变化到接近各自的设计值，可消除前几级喘振和后几级堵塞的危险。 对于首先对于首先第一级出现喘振第一级出现喘振的压气机
12、比较有效。的压气机比较有效。 应用：应用： 运输用的燃气轮机运输用的燃气轮机 （航空、舰船、机车）（航空、舰船、机车）放气防喘的特点放气防喘的特点优点：结构简单，压比低于10时效果好。缺点：缺点：（1 1）将有）将有10%10%25%25%的压缩气体被排放掉，不经济。的压缩气体被排放掉，不经济。（2 2）为保持同一转速，放气时必须加大燃油量，则涡）为保持同一转速，放气时必须加大燃油量，则涡轮前的气体温度升高约轮前的气体温度升高约100K100K以上，需密切注意。以上，需密切注意。2 2、旋转导片、旋转导片改改变叶片的安装角，以改变压气机气流入口的冲角叶片的安装角，以改变压气机气流入口的冲角通常
13、只旋转一列或两列静叶，大多数将进口导流器做通常只旋转一列或两列静叶，大多数将进口导流器做成可旋转的成可旋转的 优点：可降低压气机耗功，便于优点：可降低压气机耗功，便于启动启动。 缺点：结构和操作系统都比较复杂，重量增加。缺点：结构和操作系统都比较复杂，重量增加。3 3、分轴压气机、分轴压气机n在非设计工况时，压气机前几级和后几级偏离设计点在非设计工况时，压气机前几级和后几级偏离设计点的程度，随压气机的设计压比的增高而变得严重。的程度，随压气机的设计压比的增高而变得严重。n当压比小于当压比小于45时，一般不会出现喘振；时，一般不会出现喘振；n当压比提高到当压比提高到6以上时，必须采取放气或同时采
14、用放气以上时，必须采取放气或同时采用放气和旋转导叶的方法来防喘；和旋转导叶的方法来防喘；n当压比在当压比在1012以上时，则采取分轴的方法来防喘以上时，则采取分轴的方法来防喘。n分轴就是将压气机分成两个转子，甚至三个转子，分别由相应的涡轮带动。分轴压气机的特点分轴压气机的特点n优点：n转子可在非设计工况下自动调整转速，使进出口的流量都接近设计值，减少冲角的变化，消除前几级喘振和后几级堵塞的危险。n缺点：需要套轴、结构较复杂。第三章第三章 燃气涡轮燃气涡轮概述概述（功能、分类、基本结构等）（功能、分类、基本结构等）；轴流式燃气涡轮的工作原理；轴流式燃气涡轮的工作原理；轮周功、轮周效率、速度比；轮
15、周功、轮周效率、速度比；多级涡轮；多级涡轮；涡轮特性；涡轮特性；燃气涡轮的冷却。燃气涡轮的冷却。3-0 概述 燃气涡轮又称燃气透平、透平膨胀机，是燃气轮机燃气涡轮又称燃气透平、透平膨胀机，是燃气轮机装置中向外输出机械功的部件。装置中向外输出机械功的部件。一、功能一、功能将高温高压燃气中的热能转换为机械功将高温高压燃气中的热能转换为机械功其中，约其中，约2/33/5的机械功用以带动压气机，其余的机械功用以带动压气机，其余的机械功则作为燃气轮机的输出功率用以带动负荷。的机械功则作为燃气轮机的输出功率用以带动负荷。二、分类、特点及应用二、分类、特点及应用类类 型型特特 点点应应 用用主要介绍主要介绍
16、轴流式涡轮轴流式涡轮。轴流式涡轮轴流式涡轮径流式涡轮径流式涡轮 （又称向心式）（又称向心式）结构轻巧，结构轻巧，但流量小，效率较低。但流量小，效率较低。小型燃机装置小型燃机装置流量大、功率大、效率高流量大、功率大、效率高 但相对笨重但相对笨重大量应用大量应用三、与蒸汽轮机的比较三、与蒸汽轮机的比较空气压缩比水蒸气困难得多空气压缩比水蒸气困难得多相同点相同点工作原理及结构形式是完全一样不同点不同点工质工质 进口压力进口压力 级数级数蒸汽轮机蒸汽轮机 水蒸气水蒸气较高较高（已高达（已高达24MPa以上）以上）多多（几十级）（几十级）燃气轮机燃气轮机燃燃 气气较低较低（约（约0.53.0MPa）很少
17、很少（15级）级）四、基本构造简介四、基本构造简介n涡轮主要是由一些静止涡轮主要是由一些静止的静叶片和旋转的动叶的静叶片和旋转的动叶组成的。组成的。n装有动叶的工作叶轮，装有动叶的工作叶轮，通过转动轴与压气机轴、通过转动轴与压气机轴、外界负荷相连接。外界负荷相连接。教材P104-107箭头表明冷却空气的分配和流向箭头表明冷却空气的分配和流向1、涡轮的静叶、涡轮的静叶n又称喷嘴，其作用：又称喷嘴，其作用：n 使高温的燃气在静叶中膨胀加速，把燃气的热能转使高温的燃气在静叶中膨胀加速，把燃气的热能转化为动能，然后推动转子旋转做功。化为动能，然后推动转子旋转做功。n具有单片静叶、静叶组和静叶环。具有单
18、片静叶、静叶组和静叶环。n通常把静叶直接固定在气缸上。通常把静叶直接固定在气缸上。n在静叶后安装一圈护环来形成动叶顶部的流道在静叶后安装一圈护环来形成动叶顶部的流道 护环与汽缸壁之间有较大的空隙，这样气缸与高温燃气完护环与汽缸壁之间有较大的空隙，这样气缸与高温燃气完全隔绝，并通以冷却空气来降低气缸温度。全隔绝，并通以冷却空气来降低气缸温度。静叶静叶动叶动叶2、涡轮的动叶、涡轮的动叶把高温燃气的能量转变为转子机械功的关键零件之一。把高温燃气的能量转变为转子机械功的关键零件之一。工作条件恶劣，是决定机组寿命的主要零件之一。工作条件恶劣，是决定机组寿命的主要零件之一。 被高温燃气包围；被高温燃气包围
19、； 承受巨大离心力；承受巨大离心力； 承受气流动力；承受气流动力； 振动；振动； 腐蚀和侵蚀腐蚀和侵蚀3、多级涡轮的通流部分、多级涡轮的通流部分 在膨胀过程中，气体压力降低、密度不断减小，则气体容积逐级增大； 涡轮的通流部分应逐级扩张，即沿气流流动的轴向方向上，叶片的高度是不断增加的。3-1 3-1 轴流式燃气涡轮的工作原理轴流式燃气涡轮的工作原理一、涡轮级的概念一、涡轮级的概念 一列静叶栅（或称喷嘴环）和其后面的一列动叶栅共同构成的轴流式涡轮的一个级。 单级涡轮：整台涡轮只有一个单级涡轮：整台涡轮只有一个“级级” 多级涡轮：整台涡轮包含有几个多级涡轮：整台涡轮包含有几个“级级” 一般一般轴流式燃气涡轮轴流式燃气涡轮采用多级。采用多级。三个特征截面：三个特征截面： 0-0喷嘴进口；喷嘴进口； 1-1喷嘴出口；喷嘴出口； 2-2工作叶轮的出口。工作叶轮的出口。二、工作原理二、工作原理涡轮中的能量转换过程主要涡轮中的能量转换过程主要 在动叶栅中依靠在动叶栅中依靠气流的转向气流的转向来实现。来实现。亚音速气流亚音速气流涡轮级中燃气参数的变化涡轮级中燃气参数的变化喷嘴喷嘴 叶轮叶轮
