透平機械氣體動力學(gas dynamics in turbomachinery)

　　流體動力學的分支之一食零，主要研究透平機械中的氣體運動和運動著的氣體與透平機械相互作用辜羊。透平機械內(nèi)部有相間排列的動輪和靜輪，有功的輸出或輸入斜友，氣體流道形狀復雜炸裆。因此，研究這類氣體運動時必須考慮：動輪與靜輪內(nèi)的相對流動和絕對流動蝙寨，以及它們之間的相互關聯(lián)晒衩、轉換和銜接；主流和邊界層的相互干涉墙歪，包括跨音速工況中激波和邊界層的相互干涉囚缝；透平機械特有的邊界條件，例如周期性條件等抄瀑。

　　通常采用柱坐標系(R旧匈、Q、Z)來描述透平機械內(nèi)部的氣體流場隆惊，也就是把速度闯智、壓力、密度和溫度等參數(shù)視為R蹬寸、Q犹耻、Z和時間T的函數(shù)。若將坐標系與動輪固結在一起广柴，坐標系上所觀察到的就是工質相對于動輪的運動春探，這種坐標系稱為相對坐標系。若將坐標系與地面相固結才嘀，則稱為絕對坐標系辑皿。這兩種坐標系可以相互轉換。

　　在透平機械內(nèi)部,氣體的實際流動非常復雜,具有三維和非定常的性質跋炕，且工質本身又是粘性的可壓縮實際氣體赖晶。描述這種流動的方程有連續(xù)方程、粘性可壓縮氣體的運動方程辐烂、能量方程和實際氣體的狀態(tài)方程等遏插。要準確地求解這類具有4個自變量的非線性偏微分方程組的初步近似值的問題，在數(shù)學上尚存在困難棉圈。為此涩堤，必須設法對問題進行合理簡化眷蜓。

　　20世紀以前分瘾，透平機械中的氣體流動是按照一維流動理論設計計算的胎围。1839年，(暫不可見)圣維南和L.萬策爾第一次導出噴管中可壓縮氣體的一維等熵流動方程德召。1894年,瑞典工程師(暫不可見)拉瓦爾取得了收縮-擴張噴管(后稱拉瓦爾噴管)的專利白魂，并將它用于汽輪機。二維流動理論產(chǎn)生于1920年上岗。最初是按孤立機翼理論來設計軸流式壓氣機(即壓縮機)葉片福荸，后來又修正了相鄰葉片的影響。為提高透平機械性能膀概，20世紀初開始發(fā)展平面葉柵模型疤草。到20世紀中葉，已能計算具有任意形狀型線葉柵中的位勢流動度限，以及按合理規(guī)定的表面壓力分布來確定葉片形狀孩板。

　　假設氣體在無葉間隙中作軸對稱定常流動，氣體的徑向分速為零浙梗，則可把透平機械中的三維流場人為地分解成無葉間隙中流動參數(shù)沿徑向的變化和圓柱面內(nèi)的二維流動蛆删。但這種假設具有明顯的近似性質，對于輪轂比小务冠、通道子午擴張角大的透平機械尤為如此捅悦。為了使流動模型更接近實際，必須發(fā)展透平機械的三維流動理論丈揖。

　　1905年目露，H.洛倫茨提出通流理論，即無限多葉片理論旁咙。這種理論假設葉片數(shù)目趨于無限多惯波，而葉片厚度趨于無限薄。這樣年堆，兩相鄰葉片間的各相對流面的形狀與葉片中心面一致吞杭，且周向變化量趨近于零。實際葉片的作用是通過引入一個假想質量力場的辦法來考慮的变丧。這樣可求得與葉片中心面相重合的極限流面上的氣流的解芽狗。50年代初，中國科學家吳仲華對通流理論作出改進痒蓬，并提出透平機械三維流動通用理論童擎。這個理論引入S 1和S 2兩類相對流面的概念，并分別導出了這兩類流面流動的基本方程攻晒，通過這兩類流面的適當組合和交替運用顾复，就可以把一個實際的三維流動問題分解為兩個分別沿著S 1和S 2相對流面的相關的二維流動問題班挖。實際上，通常假定S 1流面是一些任意旋成面,而在S 2流面族中只取一個稱為S 2m的中心流面芯砸。這樣可得到三維流動的初步近似萧芙。

　　透平機械的三維流動通用理論，當時是針對純亞音速流動和純超音速流動提出的假丧。實際上双揪，由于高速透平機械中通常都是跨音速流動，即流場中同時有亞音速區(qū)和超音速區(qū)幢耍，且存在形狀链愉、數(shù)目和位置均屬未知數(shù)的激波面和音速面。因此忿和，跨音速流動是透平機械氣體動力學研究的方向之一拦吓。

　　在已知葉片通道的幾何形狀條件下直接求解三維流動問題，是研究方向之二渤惦。

　　對于流體粘性的影響子敷，工程上通常采用半經(jīng)驗方法進行修正。此外惩凉，葉片型面上的邊界層與機盒或輪轂上的環(huán)壁邊界層之間,以及邊界層主流之間的相互作用,會產(chǎn)生所謂“二次流”現(xiàn)象旷动，它對于透平機械的性能有不小的影響。因此恒襟，對透平機械中粘性流動的研究是方向之三赂裸。

　　在某些非設計工況下，透平機械特別是透平壓氣機弯疾，經(jīng)常出現(xiàn)效率下降贾虽、工況波動甚至零部件損壞等現(xiàn)象。旋轉失速吼鱼、喘振蓬豁、動葉與靜葉之間的干擾、進口流場畸變菇肃、葉片顫振等都屬于這一類現(xiàn)象地粪。所謂旋轉失速，是指在壓氣機的葉片排中由于氣流分離導致壓比和效率的下降琐谤。喘振是指在壓氣機中沿軸向有氣流脈動蟆技，從而壓比和效率隨之大幅度下降的現(xiàn)象。動葉與靜葉之間的干擾是指靜止與旋轉的葉片排對流場造成的非定常影響斗忌。流場畸變是指進口流場的不均勻性對透平機械性能的影響质礼。壓氣機和大型汽輪機等的末級長葉片，在轉速加大和質(重)量減小時因氣動彈性呈微幅振動织阳，并從周圍氣流吸取能量眶蕉，這能量加強葉片振幅砰粹，增大的振幅又提高從氣流吸取的能量，如此交替形成的自激振動稱為顫振造挽。所有這些現(xiàn)象都與流場的非定常性緊密相關聯(lián)敢俭。透平機械氣體動力學的研究方向之四便是透平機械中的非定常流動。

　　此外折扮，隨著透平機械在航空逃口、機械等工業(yè)部門的廣泛應用耀即，透平機械氣體動力學的實驗研究規(guī)模和技術水平日益提高竭豺。一些工業(yè)國家已擁有功率高達數(shù)萬千瓦、轉速高達每分數(shù)萬轉的旋轉實驗臺以及平面和環(huán)形葉柵風洞等實驗設備藻着，并廣泛采用激光測速裤魔、可見觀查、電測非電量等測試手段以及相應的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)猩僧。這些實驗研究將使透平機械的氣動特性不斷提高赖巴，使理論更為完善。

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