离心式压气机工作叶轮的形式

离心式压气机按造型分类

开式工作叶轮：摩擦损失和流动阻力很大，叶轮效率最低，易产生振动，不宜在高转速下工作。

半开式工作叶轮：摩擦损失和流动阻力较开式的小，效率较高。在一定的刚度和强度，允许在较高的圆周速度下工作。

闭式工作叶轮：其摩擦损失和流动阻力均最小，效率最高。由于结构复杂、笨重，以及轮盖在旋转时会对叶片产生巨大的应力，气强度较差，不宜在高速旋转工况下使用。

离心式压气机按叶片形状分类

根据压气机工作叶轮的叶片形状，可分为前弯叶片、径向叶片和后弯叶片。

前弯叶片：工作叶轮可将较多的能量传递给空气，但是，这部分多出来的能量是以增加动能的方式传递给空气，因而必须经过也轮之后的扩压段和蜗壳通道才能转变为气体的压力能。这种形式的叶轮降低了压气机的级效率。

径向叶片：它有高于前弯叶片的级效率和较高的强度，还可以通过提高其圆周速度获得较高的增压压力。

后弯叶片：工作轮传递给空气的能量少，但能够保证气流在出口处的流动较均匀，在扩压器及蜗壳中的流动损失也较小。因而，它与径向叶片的叶轮相比，压气机的级效率可提高3%-4%，实用的流量范围扩大约40%。

单级离心压气机主要由进气道（Inlet）、叶轮（Impeller）、扩压器（diffuser）、出气蜗壳（Volute）四部分组成。

进气道：进气道的作用是引导气体更好的进入工作叶轮，以减少进口处的流动损失和扰流强度。

叶轮：工作叶轮由轮盘及其上的叶片组成。用螺母将其紧固在涡轮轴上。气流沿着轮盘、外壳和叶片组成的通道流动，并在这一过程中将从旋转叶轮吸收的机械功转化成压力（势能）及速度（动能）。工作叶轮是压气机最主要的零件，它的好坏对级的特性起了决定性的影响。

扩压器：空气从工作叶轮出来后，具有很高的气流速度，也即具有很大的动能。这部分动能约占叶轮加工量的25%-50%。因此，为有效的利用这一部分的能量，必须把这部分的动能转化成压力能，以达到提高空气压力的目的。为此，在叶轮后装有扩压器，把气流的动能转化为压力能。

蜗壳：蜗壳的主要作用是收集从扩压器出来的空气，并将空气送到燃烧室或者其他设备中去。

自20世纪30年代末离心压气机首次应用于航空发动机以来，它在航空发动机的发展史中一直占有重要地位。尤其是近30年来，随着设计技术的进步以及新结构、新材料的应用，离心压气机的效率和增压比不断提升，产品可靠性也越来越高，已经广泛应用于中小型涡轮航空发动机和几乎所有类型的辅助动力装置（APU）。

离心压气机的特点是单级增压比高，稳定工作范围广，具有较好的抗腐蚀能力，能用单级离心压气机实现多级轴流压气机的增压效果，因此采用离心压气机的航空发动机具有体积小、重量轻、结构简单、转子刚性较佳、维修性好等优点，缺点是单位迎风面积的气流流量小。离心压气机主要应用于中小型航空发动机，尤其是涡轴发动机。

压比π：π=p₄/p_1，即压气机出口压力与进口压力之比。

质量流量m：单位时间内通过压气机的气体流量。流量越大，要求压气机的工作轮直径越大。

绝热效率η：每单位质量的空气被压缩到一定压比时，所需的绝热功与实际压缩功之比。

离心式压气机由导风轮、叶轮、扩压器等组成(图1)。空气由进气道进入压气机、经过与叶轮一起旋转的导风轮的导引进入叶轮。在高速旋转叶轮作用下，空气由叶轮中心被离心力甩向叶轮外缘，压力也逐渐提高，由叶轮流出的空气进入扩压器后速度降低，压力再次提高，最后由出气管流出压气机。

离心式压气机的空气流量为数公斤至数十公斤每秒。亚音速离心式压气机的增压比约为4.5,超音速离心式压气机可达8～10，效率约为0.78。

轴流式压气机 　空气在轴流式压气机中主要沿轴向流动。它由转子（又称工作轮，图2有色部分）和静子（又称整流器，图2 无色部分）两部分组成。由一排转子叶片和一排静子叶片组成一级，单级的增压比很小，为了获得较高的增压比，一般都采用如图所示的多级结构。空气在压气机中被逐级增压后，密度和温度也逐级提高。

轴流式压气机的空气流量为几公斤每秒到二百公斤每秒，单级增压比一般约为1.1～2.0，效率约为0.85～0.88。多级轴流式压气机的增压比可达25以上。轴流式压气机的面积小，增压比和效率都高，已广泛用于燃气涡轮发动机中。

压气机离心式

由进气系统、叶轮、扩压器、集气管等四部分组成

在叶轮的中央(入口)吸入空气，离心力使空气以高速自径向进入扩压器通道，在扩压器中，气流被减速，获得压升

转子和扩压器的叶片，有各种形状，根据压力-速度特性要求选用

优点：结构简单，工作可靠，性能比较稳定

缺点：效率较低，迎风面积大

20世纪50年代以后，除小型涡轴、涡桨发动机以外，不再使用离心式压气机

与轴流压气机配合，作为压气机的最后一级

研究中的离心式压气机增压比可以达到12以上

离心压气机最小流量受喘振工况的限制，最大流量受阻塞工况的限制

可以采用变转速、进口节流、出口节流和可调进口导叶等方法进行调节，以扩大运行工况范围

阻塞：气流受到叶片的作用和流线曲率的影响而收缩，

在进口附近形成局部的超声速区，超声速去扩展到整

个喉部截面时，气体流量达最大值，不能再增加的现象

压气机轴流式

气体沿接近轴向流动的压气机，一般又称为轴流鼓风机；动叶加速流体，静叶起扩压器作用，把速度转化成压升。近似于反动式涡轮机的逆过程

轴流压气机广泛用于燃气轮机装置、高炉鼓风、空气分离、天然气液化、重油催化等装置中压送空气和其他气体

轴流式压气机的级= 一列转子叶列 （紧接着的）一列静子叶列

转子叶片固定在转鼓上，静子叶片固定在气缸上

动叶，动能流体，压力稍稍升高；静子列，流体的压力进一步升高

高压比的装置，压气机级数>20

进口导叶，没有压升，不属于压气机第一级。

目的：气流在进入第一级时获得所需要的流场分布

空气通过轴流压气机不断受到压缩，空气比容减小、密度增加。因而，轴流压气机的通道截面积逐级减小，呈收敛形，压气机出口截面积比进口截面积要小得多

压气机流道vs涡轮流道

截面积↗减速、升压 动能转化成升压

截面积↘增速、降压 动能增加

注意：相对速度

压气机增压原理

气流通过基元级时，转子叶片给气流作功加压，使气流在基元级出口处总压和总温都比进口处高

压气机基元级效率：获得相同的总压增压比，

理想绝热压缩功 / 实际压缩功

压气机基元级气流参数沿叶高方向变化很大 因为：

工作轮基元级的切线速度u沿叶高不相等，使得工作轮对气流所作的功沿叶高不相等。

工作轮后空气旋转流场中，必然产生径向压力差，半径越大，静压越高，使气体微团产生向心加速度

改变叶片形状（工作轮叶片和导流器叶片呈扭曲状 ）

轴流式压气机某一级出现失速，并不是沿整个环面同时发生，而是在部分叶片中某个部位上首先发生，而且失速区不是固定在这些叶片上。失速区相对于工作轮叶栅向与旋转方向相反的方向移动。

多级轴流压气机，在下面两种情况下容易发生喘振：

在一定转速下工作时，若出口反压增大，使空气流量降低到一定程度时，就会出现喘振

当发动机偏离设计工作状况而降低转速时容易发生喘振

设计增压比较低的多级轴流压气机，进出口截面积的变化较小，不容易发生喘振

喘振发生时，出现强烈的不稳定工作现象：流过压气机的气流沿压气机的轴线方向产生低频高振幅的强烈振荡，压气机出口平均压力急剧下降，出口总压、流量、流速产生大幅度脉动，并伴随有强烈放炮声

压气机防喘措施

①从多级轴流压气机的某一个或数个中间截面放气

当压气机转速低于一定数值时将放气门打开，其目的是为了增加前几级压气机的空气流量，避免前几级因攻角过大而产生气流分离。中间级放气也避免了后几级压气机进口流速过大，攻角过小，甚至为负值，使增压比和效率降低的现象

简单，不经济（把已经压缩过的空气放到周围大气中去，损失了压缩这部分空气的机械功）

②第一级采用可调进口导叶和静叶，低转速时，它们可以闭拢 提高气流的轴向速度，防止失速，以致可以接近最佳运转工况。（最后几级用可调进口导叶和静叶也可）

③采用双轴或三轴结构

单级增压比很小1.15~1.35，为了获得较高的增压比，一般采用多级结构。空气在压气机中被逐级增压后，密度和温度也逐级提高

轴流压缩机的主要性能参数：压力、流量、功率、效率、转速。

最小流量受喘振工况限制，最大流量受阻塞工况限制。可以采用变转速、进口节流、出口节流和可调静叶等方法进行调节，以扩大运行工况范围

压气机相关比较

离心式压气机

优点：压气机级压比高、有良好的运转范围 、在运转范围内能保持良好效率 制造容易、成本低 重量轻

缺点：横截面积大，损失随着级数增大 最多2级

轴流式压气机

优： 峰值效率较高，用损失低的许多级可以达到高压比，横截面积小，质量流量大

缺：效率良好的运转范围狭窄，制造费用高，重量大，起动功率（可能）较高

压气机喘振是气流沿压气机轴线方向发生的低频率、高振幅的振荡现象。压气机喘振是多级轴流式压气机始终要面对的课题 。