喷气推进/空气动力学

基本原理

空气动力学分析试图逐步分析空气动力学阶段中的流动。实际设计包括大量的理论、计算和实验分析。

需要滞止温度和压力来测量气体涡轮中高速气体流动中的能量增加。使用马赫数可以让我们考虑气体的可压缩性。

可压缩流体流动方程

参见 [NACA 1135: 可压缩流动的方程、表格和图表].

连续性

在稳定流动中，对于流线管上任意两个截面

$\rho _{1}c_{1}A_{1}=\rho _{2}c_{2}A_{2}$

或微分形式

${\frac {d}{dx}}(\rho cA)=0$

或

${\frac {d\rho }{\rho }}+{\frac {dc}{c}}+{\frac {dA}{A}}=0$

其中 $\rho$ 是流体的密度

            $c$ 是流体的速度

            和

            $A$ 是管或通道的横截面积

动量

作用在控制体上的净力等于流体的动量变化

Adp=-ρA c dc

dp=-ρc dc

能量

焓的变化由动能的变化来平衡

dh + c dc=0

其中 h 是单位质量的焓

而 c 是流速。

焓

气体在温度 T 时的焓 h 为

$h=c_{p}T$

其中 $c_{p}$ 是气体的恒压比热。对于空气，$c_{p}$ 大约为 1.005 kJ/kg K。

停滞温度

停滞温度是指如果气体绝热地静止下来，其所达到的温度。将动能加到气体的内能中，我们得到以下关系

$h_{t}=c_{p}T_{t}=c_{p}T+{\frac {c^{2}}{2}}$

$T_{t}=T+{\frac {c^{2}}{2c_{p}}}$

其中 T_t 是流体的总（停滞）温度。

总焓关系囊括了等熵压缩机和涡轮中的能量变化。为了给流体添加能量，气体被引导通过相对减速过程，抵制压缩机和扩散器表面，并获得能量。为了提取能量，气体被加速，抵制喷嘴和涡轮叶片。

流体的马赫数为

$M={\frac {c}{a}}={\frac {c}{\sqrt {\gamma RT}}}$

代入

$T_{t}=T+{\frac {\gamma RTM^{2}}{2c_{p}}}$

由于 R= c_p - c_v 且 γ = c_p / c_v

$T_{t}=T\left(1+{\frac {\gamma M^{2}}{2}}(c_{p}-c_{v})/c_{p}\right)$

${\frac {T_{t}}{T}}=\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\right)$

其中 $\gamma$ （希腊字母伽马）是压力和体积之间的绝热膨胀系数 $p_{1}V_{1}^{\gamma }=p_{2}V_{2}^{\gamma }$

这是如果气体绝热地静止下来所达到的温度。

等熵停滞压力

${\frac {p_{t}}{p}}=\left({\frac {T_{t}}{T}}\right)^{\gamma /(\gamma -1)}$

${\frac {p_{t}}{p}}=\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\right)^{\gamma /(\gamma -1)}$

等熵停滞密度

${\frac {\rho _{t}}{\rho }}=\left({\frac {T_{t}}{T}}\right)^{1/(\gamma -1)}$

${\frac {\rho _{t}}{\rho }}=\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\right)^{1/(\gamma -1)}$

管道流动

稳态无粘绝热准一维流动遵循以下方程：

微分连续性方程

d (ρ c A) =0

微分动量方程

dp=-ρ c dc

微分能量方程

dh + c dc=0

重新整理连续性方程

${\frac {d\rho }{\rho }}+{\frac {dc}{c}}+{\frac {dA}{A}}=0$

重新写动量方程

${\frac {dp}{\rho }}={\frac {dp}{d\rho }}{\frac {d\rho }{\rho }}=-cdc$

${\frac {dp}{d\rho }}\equiv {\frac {\partial p}{\partial \rho }}$

声速为

a =(dp / dρ)^1/2

重新整理并代入

a²=(dp / dρ)

a² dρ / ρ = -c dc

${\frac {d\rho }{\rho }}=-{\frac {cdc}{a^{2}}}=-{\frac {c^{2}}{a^{2}}}{\frac {dc}{c}}=-M^{2}{\frac {dc}{c}}$

代入连续性方程

$M^{2}{\frac {dc}{c}}-{\frac {dc}{c}}-{\frac {dA}{A}}=0$

我们得到面积速度方程

${\frac {dA}{A}}=(M^{2}-1){\frac {dc}{c}}$

因此，对于加速（正dc/c），当马赫数小于1时，面积必须减小；当马赫数大于1时，面积必须增大。

马赫数与管道面积（相对于喉部面积A^*）之间的关系为

${\frac {A}{A^{*}}}={\frac {1}{M}}\left[{\frac {2}{\gamma +1}}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\right)\right]^{\frac {\gamma +1}{2(\gamma -1)}}$

温度关系为

${\frac {T}{T_{t}}}=\left[{\frac {2}{\gamma +1}}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\right)\right]^{-1}$

压力关系

${\frac {p}{p_{t}}}=\left[{\frac {2}{\gamma +1}}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\right)\right]^{-{\frac {\gamma }{2(\gamma -1)}}}$

以及密度关系

${\frac {\rho }{\rho _{0}}}=\left[{\frac {2}{\gamma +1}}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\right)\right]^{-{\frac {1}{2(\gamma -1)}}}$

下图显示了γ为1.4的空气这些关系。

完全膨胀的气体在温度降至绝对零度时马赫数会趋于无穷大。

质量流量

上图显示了γ=1.4的流体进行绝热膨胀时的这种交换。当压力降至0.528时达到声速（马赫数1），并且对于特定的质量流量，该马赫数下截面积最小。这种状态下的流动被称为阻塞流动，进一步减小管道面积不会导致流体加速。单位面积的质量流量为

${\dot {m}}=A\rho v$

${\dot {m}}=A\rho _{0}\left[{\frac {2}{\gamma +1}}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\right)\right]^{-{\frac {1}{\gamma -1}}}V$

喷嘴

喷嘴通过沿压力梯度膨胀将气体的内能转换为定向动能。

当气体膨胀时，最初体积增量小于速度增量，流管收缩。在M=1时，效应达到平衡，对于M>1，微分体积增量大于速度增量，需要发散流。喷嘴最窄的部分称为“喉部”。

减小固定几何形状喷嘴出口处的压力会增加出口速度，直到喷嘴最窄部分的速度变为声速。此时，喷嘴被称为“阻塞”，进一步降低出口压力不会影响喉部上游的流动。

最大出口速度取决于源气体的能量含量。

阻塞流动

阻塞流动是指在给定初始总条件下，能够通过通道的最大流量。边界层效应进一步限制了实际喷嘴的流量。

扩散器

扩散器将相对动能转换为压力。

理想的扩散器将恢复停滞压力，但实际的扩散器不能将流体速度降至零，并且存在损失。这种扩散器恢复的压力为

$\pi _{d}=p_{t2}/p_{t0}$

亚音速扩散器是一个发散通道。扩散器在逆压梯度状态下工作，必须仔细控制边界层的发展以避免流动分离。边界层可以通过抽取或吸入来赋能，但这会增加能量和复杂性成本。

在没有激波的情况下实现稳定的超音速扩散几乎是不可能的，因为不稳定性会随着流动的迅速变化而迅速放大，通过正常激波迅速变为亚音速，并在收缩通道中加速。通常采用多个倾斜激波来最大程度地降低熵升。

激波

激波是一个薄的边界，在该边界上，热传递和粘性加热使流动变为亚音速。上述等熵关系不适用于激波。穿过激波（垂直于激波表面）的总温保持不变，但总压会损失。损失取决于入射马赫数。

正激波

激波后的马赫数M₂为

$M_{2}^{2}={\frac {1+[(\gamma -1)/2]M_{1}^{2}}{\gamma M_{1}^{2}-(\gamma -1)/2}}$

较高的入射马赫数将过渡到较小的下游亚音速马赫数。

密度和速度关系

${\frac {\rho _{2}}{\rho _{1}}}={\frac {u_{1}}{u_{2}}}={\frac {(\gamma +1)M_{1}^{2}}{2+(\gamma -1)M_{1}^{2}}}$

压力关系

${\frac {p_{2}}{p_{1}}}=1+{\frac {2\gamma }{\gamma +1}}(M_{1}^{2}-1)$

以及温度关系

${\frac {T_{2}}{T_{1}}}={\frac {h_{2}}{h_{1}}}=\left[1+{\frac {2\gamma }{\gamma +1}}(M_{1}^{2}-1)\right]{\frac {2+(\gamma -1)M_{1}^{2}}{(\gamma +1)M_{1}^{2}}}$

速度三角形

可以通过速度三角形对叶片排对气流的影响进行基本分析。下图显示了压缩机和涡轮排的基本速度三角形。

在压缩机中，气流在叶片级联的速度坐标系中减速（扩散）。如果入流速度在静止坐标系中为 u，则转子叶片看到 u 和 ωr 的矢量和，即以角速度 ω 在该特定半径 r 上旋转的叶片的旋转速度。转子叶片将以速度 v_ri 流入转子参考系的流动，并将其扩散到速度 v_re。定子看到以速度 u_re 流入的流动，并将其实扩散到 u_se，并将其转向轴向方向。典型的轴向马赫数约为 0.6，转子角马赫数 (ωr/a) 保持尽可能高，以最大限度地提高每级的压缩。由于压缩机中的基本气体动力学过程是亚音速和超音速扩散，因此边界层和逆压梯度对它们进行了放大，从而对它们施加了限制。压缩的最终极限是当边界层在叶片吸力侧发散并且叶片排发生失速时。

由于叶片排的角速度在入口和出口处相等，因此为了简洁起见，速度三角形可以像右侧所示那样组合起来。

在涡轮中，气流在叶片级联的速度坐标系中加速（喷嘴）。入流被定子（喷嘴叶片）加速并转向速度 u_ri，并指向涡轮转子。在转子参考系中，流动以速度 v_ri 轴向（或几乎轴向）流入，并被加速并转向速度 v_re。一旦减去涡轮叶片的角速度 ωr，则出口速度 u_re 几乎是轴向的。

涡轮的反应度是指在涡轮转子中发生的动能与总动能变化的比例。上面的三角形描述了大约 50% 的反应涡轮。脉冲涡轮具有转子坐标系速度 v_ri 和 v_re 仅改变方向，表明如果轴向速度没有变化，则叶片的入口和出口迎角在幅度上相等。

轴流压缩机

轴流压缩机通常通过数值方式进行设计，因为它们中的流动非常复杂，并且是三维的。级产生的压缩由切向马赫数决定。通过压缩机的流动取决于轴向马赫数和环形的面积。叶片设计上的改进使得风扇叶尖能够实现 1.5 的相对马赫数。轮毂可能是叶片叶尖半径的一半，切向速度可能相差两倍。在部分跨度上超音速运行的叶片称为跨音速叶片。

叶片密度是叶片弦长与叶片所跨的角度距离之比。展弦比将叶片弦长与叶片长度联系起来。现代趋势是向更低的展弦比发展。更高展弦比的叶片往往更轻，叶片损失事件的严重程度略低。它们通常在部分跨度上有护罩以防止颤振。宽弦叶片最近被设计出来以提供更好的性能，因为它们允许实现更高的压比。叶片的宽度允许在叶片超音速区域形成更好的冲击结构，并且较低的压强梯度可以延缓分离。由于它们的反扭刚度更高，因此它们还可以避免部分跨度护罩。

叶片像交错翼型一样起作用，它们可以在损失系数发散之前承受几度的迎角。损失系数定义为总压损失除以入射流动的动压 (p_t-p)。最小损失系数约为 0.02，随着入口马赫数的增加而增加。

压缩机叶片排在减小速度差的同时提高压强，从而执行扩散。

叶片型线

最早的压缩机采用圆弧叶片。也使用过双圆弧，而现代压缩机使用更复杂的 3D CFD 设计叶片。

亚音速叶片

对于亚音速叶片，气流通过叶片通道时，通道会变宽，同时气流也会发生转向。叶片的前缘相对于轴向方向具有较高的倾斜角度，该角度在后缘逐渐减小，形成一个变宽的通道，气流必须流经该通道。凸面 (表面) 表面呈现较大的逆压梯度，这会扩大边界层。如果逆压梯度超过临界水平，就会发生流动分离和叶片失速。

吸气式压缩机叶片抽取吸力侧边界层，允许更大的扩散。

跨音速叶片

风扇叶片通常是跨音速的。入射气流以超音速接近叶片。初始扩散通过一个收敛的楔形通道发生，该通道产生多个倾斜冲击波，最后在通道中由一个更强的法向冲击波终止，使气流变为亚音速。然后，亚音速气流通过与亚音速叶片类似的扩散通道进一步扩散。

超音速叶片在商用飞机风扇的外围很容易看到。前缘很锋利，看起来稍微向相反方向弯曲，以形成超音速楔形。入射气流虽然高度三维，但其性质与进入 F-15 等超音速飞机二维进气道的流场相当。

对于压缩机级，通过使用可变定子使气流变为亚音速是有利的。大多数现代大型发动机都配备可变定子，可以在整个工作范围内提供良好的性能，同时使用亚音速叶片。可变定子向气流添加旋流，从而降低了叶根和叶尖之间的马赫数变化，防止叶根失速。

多级压缩机

对于轴上多级压缩机级，随着空气被压缩和加热，入口马赫数逐渐降低。by

质量流量

如果马赫数接近 1，则管道中的质量流量最大。发动机中的轴向马赫数保持接近 1，以降低叶片高度。由轮毂和外壳边界层引起的阻塞，以及叶片的横截面积，使质量流量低于理论值。实际的轴向马赫数范围可达 0.6。

损失机制

实际压缩机会受到各种损失机制的影响。

叶尖泄漏

轮毂和外壳边界层

密封泄漏

待定

级性能

发动机的校正速度定义为

校正速度 $={\frac {N}{(T_{t2}/T_{t})}}$

非设计工况行为

多级压缩机在低于设计速度或低于设计压比下运行时，会比后级更重地加载前级。这会导致前级失速。可变定子和多轴可用于解决这个问题。大多数现代涡扇发动机在前级压缩机级具有多个轴以及可变定子。可变定子在非设计工况下平衡前后级之间的压缩。

匹配

压缩机和涡轮气流被“匹配”以提供足够的涡轮流量，以及在正确的转速下为压缩机提供足够的功率。燃烧室中的温度升高使我们能够计算所需的相对面积。

瞬态

喘振

为了加速发动机，燃烧室中添加的燃油增加。这会提高燃烧室中的温度和压力，现在需要由压缩机产生。如果压缩机距离失速太近，可能会发生喘振，即压缩机失速。在极端情况下，气流会反向流过压缩机，热燃烧室气体从压缩机的前部排出。然后，循环以系统的亥姆霍兹频率持续，直到扰动被抑制。发动机控制器负责确保压缩机在加速期间不会达到喘振线。

在减速期间，燃油量减少，如果火焰变得过于稀薄，可能会发生火焰熄灭。

旋转失速

压缩机中的非稳态气流会导致某些部分失速（失速单元）。这些单元随着叶片旋转，并在叶片之间传播，可能引起振动，从而导致损坏。旋转失速先于全范围喘振，在全范围喘振中，压缩机在整个圆周上失速。

离心式压缩机是一种机器，其中特定气体或蒸汽通过叶轮的径向加速度在周围外壳的帮助下被压缩。然后可以将其多级布置以获得更大的压缩比例。压缩在很大程度上受离心泵的影响。

在这篇文章中，我们将涵盖与离心式压缩机或有时称为径向压缩机相关的每一个要点。

让我们从它的原理开始。

离心式压缩机：原理：离心式压缩机的压缩原理与往复式或旋转式压缩机有很大不同。

当空气通过旋转叶轮时，它会受到离心力的作用或做功。功输入表现为气流通过叶轮时压力的增加和速度的增加。气流在进入扩散器部分后会失去速度。扩散器实际上是一个固定或静止的部件，在气流离开叶轮时引导气流。这种速度损失最终导致压力的进一步增加。叶轮和扩散器分别贡献了压缩机产生的总压力的约 65% 和 35%。结构：离心式压缩机通常由四个部件组成，分别为入口、叶轮、扩散器和收集器。1. 外壳和入口。上述部件通常由外壳或外壳保护或防护。外壳包含多个轴承，以提供转子的径向和轴向支撑。外壳还包含喷嘴以及入口和排放流连接，以便向压缩机引入和提取流体。

外壳有两种类型：

a.) 水平剖分 b.) 垂直剖分

外壳通常由铸铁或钢制成。

2. 叶轮。叶轮组装或安装在钢轴上，该组件被称为压缩机转子（主要是在多级压缩机中）。转子通过安装在旋转盘上的叶片，为气体提供速度。这些叶片可以是前倾式、径向式或后倾式，具体取决于所需的输出。大多数多级压缩机使用后倾式叶片，因为它们提供了最宽的效率范围。

3. 扩散器。叶轮以高速将气体抽出到扩散器通道中。扩散器通常由形成径向通道的两个壁构成。由于这些布置，气体速度降低，动压转换为静压。扩散器通道是相邻隔板之间的小空间，通常使气流转动 180°，以便将其引导至下一个叶轮。

4. 收集器。在最后一个级叶轮之后，气体必须被收集并送至排放法兰。用于收集通过扩散器排放的气体的部件称为收集器。它也可以被称为蜗壳或旋涡。收集器还可以包含阀门和其他仪表，以便控制压缩机。

类型：它有两种类型：- 1. 单级离心压缩机 2. 多级离心压缩机

这两种压缩机都基于相同的原理工作，但在结构和工作方面存在一些重大差异。

因此，让我们分别研究它们。

1. 单级压缩机。单级压缩机仅包含一个叶轮，用于将空气或其他气体以 3 到 1 的压缩比移动以进行压力或真空作业。这类压缩机被认为具有梁设计或悬臂式叶轮布置。在这种类型的布置中，叶轮位于轴的非驱动端。它相对于多级压缩机的一个主要优点是它提供高效率，并且排放的气体完全无油和无喘振。

2. 多级压缩机。多级压缩机包含 1-10 个叶轮，可以以各种流路配置排列。在每一级中，温度和压缩比被认为是恒定的。多级压缩机可以排列成直通式、复合式和双流式配置。多级压缩机也被认为具有梁式设计，但叶轮位于径向轴承之间。

离心压缩机的应用

1. 压缩气体或空气：离心压缩机是获得或生产压缩空气最简单、最有效的方式之一。当空气或气体的需求量恒定且过量时，它们最适合使用。

2. 食品行业：食品加工行业高度依赖这种类型的压缩机，因为它可以提供无油压缩空气，这对于一些敏感的诉求是必要的。

3. 燃气轮机：燃气轮机使用轴流压缩机或离心压缩机，或两者兼而有之，以提供必要的压缩。离心压缩机主要用于燃气轮机，例如：-

a.) 涡轮轴 b.) 涡轮螺旋桨 c.) 微型涡轮机和 d.) 辅助动力装置 4.) 石油精炼厂、石化和化工厂：用于上述用途的离心压缩机通常具有水平分体机壳，并且大多数是多级压缩机。这类压缩机通常由超大型蒸汽机和燃气轮机驱动。

5. 制冷和空气控制：离心压缩机支持各种制冷剂和热力学，并且还能够在水冷机循环中提供压缩，因此它对冰箱和空调的应用需求量很大。

优点和缺点：优点 a.) 与其他压缩机相比，它相对灵活且易于制造。b.) 由于这种压缩机不需要任何特殊的底座，因此它非常节能且可靠。c.) 它们由少数摩擦部件组成，并且本质上完全无油。d.) 它比轴流压缩机每级产生更高的压力比。缺点。a.) 它们产生的压力有限，不适合非常高的压缩。b.) 由于它们在相对较高的速度下工作，因此需要一个开明的或世俗的安装。c.) 它们对失速和喘振等问题非常敏感。

这就是关于离心压缩机原理、工作原理、结构、类型、优点、缺点及其应用的所有内容。如果您对本文有任何疑问，请通过评论提问。如果您喜欢这篇文章，请不要忘记在社交网络上分享。