电厂燃气轮机概论教学课件作者付忠广03压气机课件幻灯片

电厂燃气轮机概论,第3章 压气机,1,北京市高等教育精品教材立项项目,第3章 压气机,2,轴流式压气机的工作原理 压气机的特性曲线 压气机的喘振及防喘措施,21:34:09,3,21:34:09,4,21:34:09,5,基元级速度三角形 叶片与气体间的力与功 机械能增加与反动度 压气机的增压比和效率 压气机内部流动特征,一、轴流式压气机的工作原理,21:34:09,6,1、基元级速度三角形,高增压比的轴流压气机通常 由多级组成，其中每一级在一般 情况下都是由一排动叶和一排静 叶构成，并且每级的工作原理大 致相同，可以通过研究压气机的 一级来了解其工作原理。,基元级的概念,21:34:09,7,为研究方便，可将圆柱面上的环形基元级展开成为平面上的基元级。,C = w + u,基元级的速度三角形,21:34:09,8,简化速度三角形,21:34:09,9,称为扭速， 在气流沿圆柱面流动的情 况下， ，可得到,21:34:09,10,2、叶片与气体间的力与功,21:34:09,11,叶片在轴向方向对气体的作用力为,叶片在切向方向对气体的作用力为,叶片作用在气体上的力，与气体作用在叶片上的力大小相等，方向相反,叶片与气体间的力,21:34:09,12,叶片与气体间的功,推导一（动量方程）：,（单位质量）,21:34:09,13,推导二（动量矩方程）：,（单位质量）,叶片对流体的合力矩=流体单位时间动量矩变化,离心式叶片机,21:34:09,14,涡轮机械的基本方程式,21:34:09,15,单位重力的流体所获得的能量为,压气机,21:34:09,16,轴流式压气机：流量大和效率高，在大中型燃气轮机中获得广泛的应用。,离心式压气机：空气流量小，效率高于轴流式的，简化了机组的结构，主要用在小功率燃气轮机中。,3、机械能增加与反动度,动叶栅加给气流的机械功的大小取决于圆周速度u和气流的扭速cu。要提高压气机的增压能力，就需要提高基元级的机械外功lc，即增大u和cu。,21:34:09,17,亚声速压气机增能原理,21:34:09,18,超音速和跨音速 基元级速度三角形,超声速压气机增能原理,无论是超声速还是亚声速基元级，动叶对气体的加功都是通过改变气流绝对速度的周向分量，只是超声速基元级和亚声速基元级在加功和增压的方式上有一些差别。,21:34:09,19,机械能增加,基元级中动叶的作用：1.加功，2.增压。,21:34:09,20,静叶将气流的方向重新偏转到接近轴向方向，为 下一级的动叶提供合适的进气方向。静叶的气流通道 沿流向是扩张的，亚声速气流在扩张的静叶流道中进 一步减速和增压。 基元级中静叶的作用：1.导向，2.增压。,21:34:09,21,气体流经压气机级的参数变化,21:34:09,22,反力度,气流流过压气机基元级时，动叶和静叶都对气流有增 压作用，当基元级总的静压升高确定后，就存在静压升高 在动叶和静叶之间的分配比例问题。 基元级的静压升高在动叶和静叶之间的分配情况，对 于基元级对气体的加功量和基元级的效率有较大的影响。 为了表示出这一比例关系，通常采用反动度的概念，它是基元级的基本参数之一。,21:34:09,23,反力度定义,通常，可以认为基元级出口绝对速度 的大小和方向 都十分接近于基元级进口的绝对速度 ，即 。,反力度的物理意义：动叶中的静压升高占整个基元级 静压升高的百分比。,21:34:09,24,如果反力度过低，则气体通过动叶后静压升高不多，表明动叶加给气体的机械能主要是动能，这样动叶出口的 速度就会很大，而且方向也很斜。这样会加大静叶的设计难度，因此，需要尽量避免反力度过低的现象发生。 反动度过高，则静叶减速增加的作用没有得到充分的发挥，转子负担过重。,21:34:09,25,4、轴流压气机的增压比和效率,压气机的增压比定义,21:34:09,26,压气机的总增压比发展历程,21:34:09,27,压气机的绝热效率定义,轴流压气机：0.850.90 离心压气机：0.750.85,21:34:09,28,用热焓形式能量方程、绝热条件、等熵过程的气动关 系式 和,21:34:09,29,5、压气机内部流动特征,21:34:09,30,小叶片大文章,21:34:09,31,流动分离：粘性+逆压梯度,叶栅流动,21:34:09,32,叶型 攻角,21:34:09,33,平面叶栅攻角特性,不同攻角下的叶片表面气流分离,21:34:09,34,21:34:09,35,(1) 串列叶栅理论,第二排叶片的附面层重新生成； 第二排叶片的来流攻角变化不大； 第一排叶片负荷轻，第二排叶片可以负荷重一些； 串列叶栅在气流偏转角度比较大时，流动稳定性好，抗分离能力强。,特殊叶栅理论,21:34:09,36,(2) 轴流压气机大小叶片理论,在转子通道的后半部分局部增加小叶片，增大转子的作功能力。 Wennerstrom于七十年代提出，并进行了试验验证。 九十年代以后，采用CFD技术进行优化设计。,21:34:10,37,扭速 的限制 ，增大扭速可以增大基元级的加功量。,亚声速基元级,增加导致： 增大； W2减小，逆压梯度增大； 流动分离，动叶加功能力、效率 和流量下降。,21:34:10,38,超、跨声速基元级，扭速 是靠强烈的激波系获得。 如果激波强度过大，激波本身的总压损失和激波附面层干涉损失严重，使得动叶的效率急剧下降。,21:34:10,39,（1）附面层内气体的摩擦损失； （2）逆压梯度作用下的附面层分离损失，特别是激波 附面层干涉会加重分离，导致分离损失急剧增加； （3）激波造成的总压损失； （4）尾迹损失（叶片两侧附面层在尾缘处脱体时产生 的旋涡流动损失）和尾迹区与主流区的掺混损失。 以上损失也称为叶型损失。,叶栅中的流动损失,21:34:10,40,21:34:10,41,21:34:10,42,（1）端区附面层流动,在端壁角区，端壁附面层和叶片表面附面层中低能气体的相互阻滞; 角区的附面层增长很快，使得角区比其它区域更加容易产生流动分离。,叶栅内部流动,21:34:10,43,（2）径向间隙流动,倒流和泄漏流会改变间隙附近气流的出气方向，使该部位压气机的加功和增压能力下降、效率下降。,21:34:10,44,（3）通道涡流动,静子叶栅的通道涡,主流区压力面静压高，端壁 区压力面静压低; 压力面附近的气流从静压高处流向低静压处，占据了端壁的气流通道; 沿端壁流向静压更低的吸力 面，在吸力面角区卷起，形成 横跨整个叶栅通道的旋涡流动。,21:34:10,45,动叶中的通道涡也是由压 力面附近高静压的气体通过 端壁附面层流向吸力面而产 生的。 动叶尖部的间隙涡与尖部 通道涡的旋向相反，二者之 间有相互抑制作用，,21:34:10,46,小结,压气机的增压比,压气机的绝热效率,二、压气机的特性曲线,单级轴流压气机特性 多级轴流压气机特性 压气机的不稳定工况与扩稳 压气机相似准则,21:34:10,47,1、单级轴流压气机特性,21:34:10,48,在一般的情况下，压气机的工作状况是由进口压力Pa*、进气温度、转速n和流量等四个独立变量决定的。在进气条件一定和转速不变的条件下，压气机的压比、效率随流量变化的关系通常称为压气机的流量特性。用曲线表示这些参数之间的关系称为特性曲线。,（1）单级压气机特性曲线的变化规律分析,49,21:34:10,大流量工况,小流量工况,设计点工况,（2） 单级轴流式压气机的流量特性,21:34:10,50,A. 随着压气机流量Gv的减少，C起初升高，然后下降。每条特性线的高压比点将特性线分成左、右两支。右支对应随Gv减少时压比增加的情况，左支则对应随Gv减少时压比下降的情况。,21:34:10,51,B. 当流量Gv减少到一定值时压气机的工作进入不稳定工况区，即进入喘振区。每个转速下的流量特性线都有自己产生喘振时的最小流量Gvmin。各转速下喘振流量点之联线称为喘振边界线。,21:34:10,52,C. 随着压气机转速的升高，流量特性线变得陡直。,21:34:10,53,D. 在一定的转速下，当Gv增加到某一值时，压比和效率均急剧下降。这表明，Gv的增加是有一定限度的，我们把这个现象称为压气机的“阻塞”。在不同的转速下，发生“阻塞”的Gv是不同的。,(3) 单级压气机的实验特性曲线 亚声速压气机 超跨声速压气机,54,21:34:10,2、多级轴流压气机特性,（1）为什么压气机级数远大于透平？,21:34:10,55,要使每级压比增大,加大气流折转角,加大u,叶片弯曲程度加剧,叶片背弧处易发生边界层分离,压气机易喘振,由于轴流式压气机的单级增压能力是有限的，特别是亚音速级，每级增压比只有1.151.3，最高也不大于1.4（超音速级可以高一些），所以，工业燃气轮机均采用多级式轴流压气机，使压比高达1730。,21:34:10,56,（2）多级轴流压气机在非设计工况下级间的不协调性,57,21:34:10,若工作压比高于设计值，此时流道收缩太慢，轴向速度逐级加速变小；,第 一 级,第 二 级,末 级,若工作压比低于设计值，此时流道收缩太快，轴向速度逐级加速变大。,58,21:34:10,（3）四类非设计工况分析,59,21:34:10,A. 在设计转速，工作点位于红点处。此时流量大于设计值，压比小于设计压比。第一级流量系数大于设计值，由于各级压比小于设计值，导致后面级流量系数加速放大，并容易出现堵塞。这也是多级压气机的特性线要更陡峭一些的原因。,21:34:10,60,目前燃气轮机中采用的压气机，由于设计工况下的压比较大，流向动叶片的气流相对速度已经很大，增大空气流量（变工况）时，在流道的喉部截面（最小截面）上速度很快达到局部声速而“阻塞”。,多级压气机的特性曲线较陡，流量变化范围也较窄，尤其在高转速情况下，流量的微小改变都会引起压升比很大的变化。,61,21:34:10,B. 在设计转速，工作点位于红点处。此时流量小于设计值，压比大于设计压比。第一级流量系数小于设计值，由于各级压比大于设计值，导致后面级流量系数加速变小，此时容易出现喘振。,62,21:34:10,C. 在中低转速，工作点位于红点处。此时流量小于设计值，压比小于设计压比。第一级流量系数远小于设计值，由于各级压比小于设计值，导致后面级流量系数加速放大。这就是压气机在中低转速容易出现前喘后堵的原因。,63,21:34:10,D. 在超转的情况下，工作点位于红点处。此时流量大于设计值，压比也大于设计压比。第一级流量系数大于设计值，由于各级压比大于设计值，导致后面级流量系数加速变小。此时容易出现前堵后喘的情况。,三、压气机的喘振及防喘措施,21:34:10,64,旋转失速 喘振 扩稳措施,失速裕度的定义,21:34:10,65,增压比稳定裕度,综合稳定裕度的定义,一般情况，在设计转速下，压气机失速裕度应为20%以上,流量稳定裕度,不稳定工况的分类,66,21:34:10,压气机非稳定工况可以分为两大类。 第一类属于气动弹性现象，这时叶片的振动属于自激振动，这种现象被称之为颤振。这种现象不在这里介绍。,第二类是单纯气动现象，它也会激发叶片的振动，但这种叶片振动性质属于他激振动。 第二类非稳定工况又分为两种：一是旋转失速或称旋转分离；另一种是喘振现象。二者既有差别又有联系。,1.旋转失速,21:34:10,67,当压气机的转速一定，流量减小时，Clz下降，使冲角i增大，产生正冲角，到正冲角过大时，会在叶背引起气流分离这就是失速现象。这时气流转折角增加，扭速也增加，从而使叶栅通道中沿气流方向的压力梯度增大，气流拐弯产生的离心力场加剧了叶背的气流分离。失速使效率明显下降，甚至会导致喘振的发生。,实践证明，压气机叶栅中出现的失速区不是静止不动的，它围绕着叶轮轴线以低于叶轮的转速连续地旋转，所以这种失