壓氣機

壓氣機（compressor）：燃氣渦輪發動機中利用高速旋轉的葉片給空氣作功以提高空氣壓力的部件。壓氣機葉輪葉片的前端部分呈彎曲狀稱為導輪，起作用是將氣體無衝擊的導入工作葉輪，減小氣流衝擊損失。小型增壓器的壓氣機葉輪一般將導輪與工作葉輪製成一體。壓氣機的葉輪出口有擴壓器，使氣體在葉輪中獲得的動能儘可能多地轉化為壓力。擴壓器分為葉片式和縫隙式兩種。壓氣機的外殼有氣流的進口和出口。進口一般呈軸向布置，流道略呈漸縮，以減小進氣阻力。出口一般設計成流道沿圓周漸擴的蝸殼狀，使高速氣流在那裡繼續擴壓，提高增壓器的總效率。壓氣機由渦輪驅動，其主要性能參數有：轉速、流量、空氣流量、增壓比和效率等。

基本介紹

• 中文名：壓氣機
• 外文名：compressor
• 驅動：渦輪
• 效果：壓氣

機器簡介

壓氣機出口空氣總壓與進口空氣總壓之比稱為壓氣機增壓比，增壓比相同時，理論上所需的壓縮功與實際消耗的機械功之比稱為壓氣機效率。壓氣機可分為離心式與軸流式兩大類，兼有兩類特點的稱為混合式壓氣機。按氣流流入壓氣機轉子葉片的相對速度，壓氣機又可分為亞音速的、跨亞音速的和超音速三種形式。

機構組成

離心式壓氣機由導風輪、葉輪、擴壓器等組成(圖1)。空氣由進氣道進入壓氣機、經過與葉輪一起旋轉的導風輪的導引進入葉輪。在高速旋轉葉輪作用下，空氣由葉輪中心被離心力甩向葉輪外緣，壓力也逐漸提高，由葉輪流出的空氣進入擴壓器後速度降低，壓力再次提高，最後由出氣管流出壓氣機。

壓氣機

離心式壓氣機的空氣流量為數公斤至數十公斤每秒。亞音速離心式壓氣機的增壓比約為4.5,超音速離心式壓氣機可達8～10，效率約為0.78。

軸流式壓氣機 　空氣在軸流式壓氣機中主要沿軸向流動。它由轉子（又稱工作輪，圖2有色部分）和靜子（又稱整流器，圖2 無色部分）兩部分組成。由一排轉子葉片和一排靜子葉片組成一級，單級的增壓比很小，為了獲得較高的增壓比，一般都採用如圖所示的多級結構。空氣在壓氣機中被逐級增壓後，密度和溫度也逐級提高。

軸流式壓氣機的空氣流量為幾公斤每秒到二百公斤每秒，單級增壓比一般約為1.1～2.0，效率約為0.85～0.88。多級軸流式壓氣機的增壓比可達25以上。軸流式壓氣機的面積小，增壓比和效率都高，已廣泛用於燃氣渦輪發動機中。

性能特性

壓氣機都是按給定的進氣條件、轉速、增壓比和空氣流量設計的，但其工作狀態（工作環境的溫度、壓力、轉速和空氣流量等）實際上是變化的，壓氣機在各種工作狀態下的性能稱為壓氣機特性。在一定轉速下，當壓氣機的增壓比增大到某一數值時，壓氣機就會進入不穩定的工作狀態，很容易發生喘振，使整個系統產生低頻大振幅的氣流軸向脈動，甚至會發生瞬間氣流倒流的現象。壓氣機喘振可能導致葉片斷裂、結構損壞、燃燒室超溫和發動機熄火停車。為避免發生喘振可以採取下列措施：

①按轉速調節某幾級整流葉片的安裝角，使流入的氣流具有合適的迎角，避免氣流分離而造成喘振。

②將多級壓氣機分成2個不同轉速的轉子,分別由高、低壓渦輪驅動。有些發動機採用3轉子結構。

③多級軸流式壓氣機從中間級放氣，以增加前面各級的空氣流量，避免氣流的迎角過大，產生分離，出現喘振。

④多級軸流式壓氣機在第一級壓氣機的機匣上開槽，使第一級工作輪葉片尖端部分的氣流通過機匣上的槽道產生回流，減小氣流的迎角，這種方法稱為機匣處理。

葉片振動 　壓氣機葉片常因振動而產生裂紋甚至斷裂。振動分為兩類：一類是在周期性外力作用下發生的葉片振動，稱為強迫振動。周期性的外力來自工作輪葉片和整流器葉片之間的相互干擾、工作輪葉片的旋轉失速等。另一類是由葉片自身的振動以及與相鄰葉片自身振動相互干擾而形成的，稱為葉片自激振動或葉片顫振。為了避免葉片顫振，工作輪上兩相鄰葉片可採用不同的厚度，以改變它們的固有頻率。

工作原理

渦輪噴氣發動機按照“工作循環”工作。它從大氣中吸進空氣，經壓縮和加熱這一過程之後，得到能量和動量的空氣以高達2000英尺/秒(610米/秒)或者大約1400英里/小時(2253公里/小時)的速度從推進噴管中排出。在高速噴氣流噴出發動機時，同時帶動壓氣機和渦輪繼續旋轉，維持“工作循環”。渦輪發動機的機械布局比較簡單，因為它只包含兩個主要旋轉部分，即壓氣機和渦輪，還有一個或者若干個燃燒室。然而，並非這種發動機的所有方面都具有這種簡單性，因為熱力和氣動力問題是比較複雜的。這些問題是由燃燒室和渦輪的高工作溫度、通過壓氣機和渦輪葉片而不斷變化著的氣流、以及排出燃氣並形成推進噴氣流的排氣系統的設計工作造成的。

軸流式壓氣機的主要部件

喘振原理

壓氣機喘振是氣流沿壓氣機軸線方向發生的低頻率，高振幅的震盪現象。這種低頻率高振幅的氣流振盪是一種很大的激振力來源，他會導致發動機機件的強烈機械振動和熱端超溫，並在很短的時間內造成機件的嚴重損壞，所以在任何狀態下都不允許壓氣機進入喘振區工作。

喘振現象

發動機的聲音由尖哨轉變為低沉；發動機的振動加大；壓氣機出口總壓和流量大幅度的波動；轉速不穩定，推力突然下降並且有大幅度的波動；發動機的排氣溫度升高，造成超溫；嚴重時會發生放炮，氣流中斷而發生熄火停車。因此，一旦發生上述現象，必須立即採取措施，使壓氣機退出喘振工作狀態。

根本原因

由於攻角過大，使氣流在葉背處發生分離而且這種氣流分離嚴重擴展至整個葉柵通道。

用途

1、給氣動設備以氣源 2、（輪胎）充氣 3、噴漆、噴塗 4、好氧發酵罐內充氣（經過殺菌、過濾）5、等離子切割的氣源6、氣動工具氣源等。

相關分類

離心式

由進氣系統、葉輪、擴壓器、集氣管等四部分組成

在葉輪的中央(入口)吸入空氣，離心力使空氣以高速自徑向進入擴壓器通道，在擴壓器中，氣流被減速，獲得壓升

轉子和擴壓器的葉片，有各種形狀，根據壓力-速度特性要求選用

優點：結構簡單，工作可靠，性能比較穩定

缺點：效率較低，迎風面積大

20世紀50年代以後，除小型渦軸、渦槳發動機以外，不再使用離心式壓氣機

與軸流壓氣機配合，作為壓氣機的最後一級

研究中的離心式壓氣機增壓比可以達到12以上

離心壓氣機最小流量受喘振工況的限制，最大流量受阻塞工況的限制

可以採用變轉速、進口節流、出口節流和可調進口導葉等方法進行調節，以擴大運行工況範圍

阻塞：氣流受到葉片的作用和流線曲率的影響而收縮，

在進口附近形成局部的超聲速區，超聲速去擴展到整

個喉部截面時，氣體流量達最大值，不能再增加的現象

軸流式

氣體沿接近軸向流動的壓氣機，一般又稱為軸流鼓風機；動葉加速流體，靜葉起擴壓器作用，把速度轉化成壓升。近似於反動式渦輪機的逆過程

軸流式壓氣機

軸流壓氣機廣泛用於燃氣輪機裝置、高爐鼓風、空氣分離、天然氣液化、重油催化等裝置中壓送空氣和其他氣體

軸流式壓氣機的級= 一列轉子葉列+ （緊接著的）一列靜子葉列

轉子葉片固定在轉鼓上，靜子葉片固定在氣缸上

動葉，動能流體，壓力稍稍升高；靜子列，流體的壓力進一步升高

高壓比的裝置，壓氣機級數>20

進口導葉，沒有壓升，不屬於壓氣機第一級。

目的：氣流在進入第一級時獲得所需要的流場分布

空氣通過軸流壓氣機不斷受到壓縮，空氣比容減小、密度增加。因而，軸流壓氣機的通道截面積逐級減小，呈收斂形，壓氣機出口截面積比進口截面積要小得多

壓氣機流道vs渦輪流道

截面積↗減速、升壓 動能轉化成升壓

截面積↘增速、降壓 動能增加

注意：相對速度

增壓原理

氣流通過基元級時，轉子葉片給氣流作功加壓，使氣流在基元級出口處總壓和總溫都比進口處高

壓氣機基元級效率：獲得相同的總壓增壓比，

理想絕熱壓縮功 / 實際壓縮功

壓氣機基元級氣流參數沿葉高方向變化很大 因為：

工作輪基元級的切線速度u沿葉高不相等，使得工作輪對氣流所作的功沿葉高不相等。

工作輪後空氣旋轉流場中，必然產生徑向壓力差，半徑越大，靜壓越高，使氣體微團產生向心加速度

改變葉片形狀（工作輪葉片和導流器葉片呈扭曲狀 ）

軸流式壓氣機某一級出現失速，並不是沿整個環面同時發生，而是在部分葉片中某個部位上首先發生，而且失速區不是固定在這些葉片上。失速區相對於工作輪葉柵向與旋轉方向相反的方向移動。

多級軸流壓氣機，在下面兩種情況下容易發生喘振：

在一定轉速下工作時，若出口反壓增大，使空氣流量降低到一定程度時，就會出現喘振

當發動機偏離設計工作狀況而降低轉速時容易發生喘振

設計增壓比較低的多級軸流壓氣機，進出口截面積的變化較小，不容易發生喘振

喘振發生時，出現強烈的不穩定工作現象：流過壓氣機的氣流沿壓氣機的軸線方向產生低頻高振幅的強烈振盪，壓氣機出口平均壓力急劇下降，出口總壓、流量、流速產生大幅度脈動，並伴隨有強烈放炮聲

防喘措施

①從多級軸流壓氣機的某一個或數箇中間截面放氣

當壓氣機轉速低於一定數值時將放氣門打開，其目的是為了增加前幾級壓氣機的空氣流量，避免前幾級因攻角過大而產生氣流分離。中間級放氣也避免了後幾級壓氣機進口流速過大，攻角過小，甚至為負值，使增壓比和效率降低的現象

簡單，不經濟（把已經壓縮過的空氣放到周圍大氣中去，損失了壓縮這部分空氣的機械功）

②第一級採用可調進口導葉和靜葉，低轉速時，它們可以閉攏 提高氣流的軸向速度，防止失速，以致可以接近最佳運轉工況。（最後幾級用可調進口導葉和靜葉也可）

③採用雙軸或三軸結構

單級增壓比很小1.15~1.35，為了獲得較高的增壓比，一般採用多級結構。空氣在壓氣機中被逐級增壓後，密度和溫度也逐級提高

軸流壓縮機的主要性能參數：壓力、流量、功率、效率、轉速。

最小流量受喘振工況限制，最大流量受阻塞工況限制。可以採用變轉速、進口節流、出口節流和可調靜葉等方法進行調節，以擴大運行工況範圍

相關比較

離心式壓氣機

優點：壓氣機級壓比高、有良好的運轉範圍 、在運轉範圍內能保持良好效率 製造容易、成本低 重量輕

缺點：橫截面積大，損失隨著級數增大 最多2級

軸流式壓氣機

優： 峰值效率較高，用損失低的許多級可以達到高壓比，橫截面積小，質量流量大

缺：效率良好的運轉範圍狹窄，製造費用高，重量大，起動功率（可能）較高