轴流压缩机的基本结构和工作原理

Axial Compressor

轴流压缩机

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轴流压缩机的主体结构有两大基本组成部分：一是以转轴为主体的可旋转的部分，简称为转子；一是以机壳及装在机壳上各静止部件为主体的固定部分，简称为静子或定子。

当压缩机工作时，气体首先进入进气管，然后流入进口导叶。进口导叶是固定在静子上具有收缩流道的静止环形叶栅，用来控制进入第一排动叶前的气流方向。外界的机械功通过转子上的动叶栅传递给气体，使气体的压力和动能都发生变化。动叶栅之后接着是静叶栅，它是固定在静子上的环形叶栅，其作用是规定气流进入下一排动叶栅的进气方向，同时也将气体的动能部分地转换为压力能。在多级轴流式压缩机中，气体交替流经多排动叶栅和静叶栅，使气体压力逐渐升高。在多级轴流压缩机的末段，有时由于一排静叶栅不能使气体方向变成轴向，因而再加一排静叶片，称为整流叶片。气流从整流叶片出来，经排气管排出。

下图是一台五级轴流压缩机的通流部分。转鼓形式的转轴上装着五排动叶片，组成转子的主要部分。一排动叶与紧跟其后的一排静叶，构成轴流压缩机的一个级。这种首尾相接、串联而成的各个级，构成轴流压缩机最主要的工作部分，即称为压缩机的通流部分。

级是多级轴流压缩机的基本组成单元，它由一排旋转的动叶和一排固定的静叶组成，如下图所示。气流在由动叶与静叶所构成的环形通道内，沿大致平行于轴线的方向流动。旋转的动叶将外界的机械功传给流体，增加流体的压力能和动能，而静叶将从叶轮流出的流体动能转变为压力能，并将流体引导至下级动叶栅进口，使其具有所需要的速度与方向。

级的主要特征尺寸为：

D _i —— 级的外径（包括叶片顶部与壳体之间的径向间隙在内）；

D _h —— 级的内径，即轮毂直径；

D = D _h / D _i —— 轮毂比；

l —— 叶片高度；

δ _r —— 径向间隙，即叶尖与壳体内壁之间的距离；

δ _z —— 轴向间隙，即二叶片排之间的轴向距离。

在研究基元级中的流动时，主要是分析动叶前、动叶与静叶之间及静叶之后，三个垂直于转轴的回转面上气流参数的变化情况，分别用1-1截面、2-2截面和3-3截面来表示，这些截面即为基元级的特征截面。在这些截面上，气流的情况是复杂的。例如动叶根部与顶部的圆周速度就大不相同。也就是说，由于所处半径位置的不同，叶片沿径向各截面上的流动情况是各异的。故讨论时，一般先从分析某一半径截面处的流动情况入手，再进而了解各不同半径截面处以至整个级中的气流流动情况。

这里就先从级中一个有代表性的半径 —— 级平均半径（均径）处截面上的流动情况开始讨论。设想用一个半径等于级平均半径，其轴线与压缩机轴线重合的圆柱面去割切级的叶片排，这样就得到了平均半径处的两排叶片（动叶、静叶）切面。叶片的切面即为叶片在该半径处的叶型。压缩机的级正是由无数半径不同的切面叠加而成的。为了研究方便，还可将环形叶栅在平面上展开成平面叶栅，而认为它在圆周方向是无限长的。实践表明，在分析基元级中的流动情况时，用平面叶栅来代替环形叶栅是既方便又基本上符合实际情况的。

当转子以角速度ω等速旋转时，动叶以圆周速度u运动。按照所取静止或随动叶栅一起转动的坐标系的不同，气流的速度有绝对运动和相对运动的差别。我们约定绝对运动中气流速度以c表示；相对运动中的速度以w表示。

在压缩机级中，压力p ₁到p ₂的提高在动叶栅中进行，而p ₂到p ₃的提高则在静叶栅中完成。以绝对速度c ₁流来的气体，因动叶入口的牵连速度为u，所以以相对速度w ₁流入动叶。由于在动叶栅中加入机械功（Δh _u），使气体在动叶栅中产生顺叶栅运动方向的转折。通常，动叶栅进、出截面选择使得气流轴向分速度接近相等。因此，气流在动叶栅中发生转折的同时，还伴随有一定的减速（w ₂ < w ₁）。这样，经过动叶以后，气流压力便由p ₁增加到p ₂。对于静叶来说，进口绝对速度c ₂可以从w ₂、u求得。气流于其中逆动叶栅运动方向产生一定转折，并随着流通面积的加大而有一定的减速（c ₃ < c ₂），其压力将连续地从p ₂增高至p ₃。一般动叶栅和静叶栅的设计，使得静叶出口的流速和方向与本级入口大体相同。从而，经过一基元级，实现加入机械功Δh _u，转化为气流压力升高（p ₁ → p ₃）的目的。

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