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航空发动机叶片你为何要扭转?

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发表于: 2016-03-10 12:43:37
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本帖最后由 云李漫步 于 2016-03-10 12:44 编辑

朋友们大家好,今天是夜班食堂口试部分的第一期,借由口试真题,带大家回顾一下口试中可能会遇到的内容,还希望大家广泛的讨论,相互帮助,共同通过口试这一难关,本人才疏学浅,其中难免有遗漏和错误,还请大家多多指正。

由于想想最近再看发动机,所以我就抽取了几道我认为值得讨论的题,通过这些相互关联的题,带大家把这块的东西回顾一下,首先是这样一道题,在此分享给大家。

问:压气机叶片为什么要扭转?如何扭转?



  初看这一题,貌似很简单,大家都知道压气机叶片是扭转的,如图1,压气机叶片的扭   

                          图1


转角度由叶根到叶尖逐渐变大。大家可能会回答是因为叶根到叶尖线速度不一样,为了匹配径向上不同的速度,而采取不同的角度。(其实是我这么想的),但是这样回答是不全面的。题库的回答是这样的:

压气机叶片的扭转主要是因为转子叶片呈翼型截面形状,通常设计沿其长度有一压力梯度,以保证空气维持一个比较均匀的轴向速度,向叶尖方向逐渐变高的压力抵消转子作用在气流上的离心作用,为此必须将叶片从叶根向尖部“扭转”,以便在每一点都有一个正确的攻角。

叶片的扭转情况是:



 在叶尖处叶型安装倾斜度大;在叶根处叶型安装倾斜度小。附图2-19

题库中的解答是按照书中原文来给出的,附图也是书中的原图,可是书中说的内容太笼统,有些地方也不是太好理解,所以我们以书中的答案为参考,给大家好好掰扯掰扯这个问题。

  首先经过想想的考证,书中给的图是有一些问题的,首先我们要明确一个概念,什么是安装角?

在直升机里,旋翼的安装角是指叶片的弦与旋转平面的夹角,为此我还特别查找了安装角的定义。

   叶型安装角:弦线与额线之间的夹角。用符号表示。所谓额线是指所有前缘点A(或后缘点)的连线,也就是与弦线与旋转平面的夹角。如下图

我在找资料的时候也确实发现有的书中是按执照书中的画法定义安装角的,书中的图也完全一样,不过在参考了多方资料后,发现大家普遍意义上的安装角还是弦与额线的夹角也就是弦与旋转平面的夹角。明确了安装角的定义之后,我们就首先讨论一下答案中的第一句话:“转子叶片呈翼型截面形状,通常设计沿其长度有一压力梯度,以保证空气维持一个比较均匀的轴向速度,向叶尖方向逐渐变高的压力抵消转子作用在气流上的离心作用。”通过这句话可以看出,叶片扭曲的目的之一,是为了保证空气在径向上各个位置都有一个比较均匀的轴向速度。下面我们就分析一下这个压力梯度的由来,我们截取两排叶片之间径向截面的一个微元,如下图,具体的公式推导我们就不讨论的,因为太复杂,也没有意义,

我们在这了只进行定性分析,如图中的abcd微元,r是径向方向,微元的上下表面受压力的作用,同时,微元跟随气流旋转,会有离心力的产生即图中的力方向向上,为了满足“径向平衡”必须有一个力与它平衡,否则,气流就会受到离心作用的影响,使气流都涌向叶尖,不利于叶片的工作,提供与之平衡的力就是就是上下表面的压力差,也就是为什么要设置一个向叶尖方向逐渐变高的压力,“径向平衡”物理意义就是:气流所受的惯性力靠沿径向的压力梯度来平衡。气流径向上的力平衡之后,沿叶根到叶尖就有了一个相对均匀的轴向速度,利于压气机的工作。

  下面我们就来讨论一下叶片是如何扭转的,以及是如何获在每一点都获得一个正确的迎角的。之前已经证明了,叶尖到叶根有一个比较均匀的轴向速度,我们就假设沿叶高进气的轴向速度相等,而叶轮的圆周速度u在叶尖,平均直径和叶根处是不相同的其关系式〉 〉 ,于是叶轮进口速度三角形的规律是 .

为了保证压气机正常的工作,避免气流分离,减少流动损失,应使叶片进口的几何方向基本对准相对速度方向,所以工作叶片必须做成在叶尖处叶型安装角小,在叶根处叶型安装角大,做成扭转的形状。所以题库给的答案的安装斜度的说法不准确。当然我们的目的是通过考试,关于安装角概念的问题我觉得有必要和考官说清楚,避免考官误会,总之说清楚如何扭转的就好。工作叶轮在出口处叶尖,平均直径和叶根处,三个位置不同的速度三角形要求工作叶轮在出口处沿叶高气流的总温,总压等参数接近均匀,所以要求沿叶高接近是等功的。

总之叶片扭转是由于叶片在不同部位的切向速度不同,为了使各处气流攻角和加功量满足要求,避免气流分离,故叶片要扭转。

我相信如果从压力梯度平衡离心力保证轴向速度均匀和切向速度不同保证叶片有合适的攻角这两方面来回答这个问题应该就是比较全面的了。这个问题也困扰了我很久,所以我把我总结的内容分享给大家,便于大家理解记忆,口试的时候还是建议大家尽量理解原理,懂得原理之后结合自己的语言表达出来记忆的时候也比较容易,也能体现出你真正理解了他的原理,遇到相关的问题也容易推导出来,事半功倍。好了,今天就到这里,如果有什么不对的地方还请大家批评指正,我们下期见。

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