叶轮机中的焓变化

　　1　引言

　　在叶轮机械气动力学教科书中,例如文献[1],给出如下基本结论:

　　对静子叶片槽道中的稳态绝热流动,如果忽略势能的变化,总焓或滞止焓守恒,即

　　对旋转坐标系中的稳态等熵流动,如果忽略势能的变化,转焓守恒,即

　　式中, W是流体相对于旋转坐标系中的速度, U是叶片速度。由于流体的绝对速度为:

　　将叶轮机中复杂的三维、非定常粘性流动进行简化处理是过去叶轮机气动力学的基础,是叶轮机械在工业界广泛应用而且技术水平迅速发展的一个重要因素。简化处理的思路是:将叶轮机内复杂的三维流动简化为两个二维问题,一是从轮毂到机匣子平面流动,其为二维轴对称问题;另一是从叶片到叶片的二维绕流问题。通过引入无角加速度的旋转座标系并假设动叶进口参数为静叶出口周向平均参数,将本来是非定常的转子内流动化为定常流动。

　　将粘性流动简化为无粘流动的方法,则是把远离壁面的流动简化为无粘流动,而近壁流动粘性影响用边界层方法近似。

　　在这样简化的前提下,得出静子叶排槽道中的总焓守恒,在转子叶排槽道中沿相对流线转焓保持守恒的结论,从而大大简化了子午通流计算,形成了准三维设计系统的一个重要基本假设^[2] 。也是利用静子后测量参数推算压气机转子性能的依据^[3] 。

　　70年代出现的小尺寸高响应探针和激光测速仪大大改进了对轴流叶轮机,尤其是跨音压气机中复杂流场的理解。通过试验得出的一个重要结论是,压气机转子中相对流动非定常性影响相当显著,尤其对尺寸紧凑、高负荷航空叶轮机械,其原因一方面是相对叶片通过驱动的周期性非定常,另一方面是叶片槽道内激波、旋涡、粘性层和泄漏流等相互影响产生的自身非定常性^[4、5] 。

　　在目前叶轮机转静叶排实际轴向间隙的情况下,由于转子尾迹和叶片力的影响静子出口温度场沿周向分布是不均匀的,静子叶片槽道内的流动是非定常的。因此,对真实流动的理解不能忽视转静叶片排流场信息的相互传递以及由此引起的非定常流动。对叶片排中气流的焓与熵变化的讨论也建立在考虑转静叶片排相互干涉影响的基础上。

　　Cumpsty[7]限定转子叶片槽道中转焓守恒的条件为:

　　(1)　在旋转坐标系中流动是定常的;

　　(2)　在旋转坐标系中对流体没有做功(例如来源于机匣的摩擦力);

　　(3)　没有热传给流体或由流体传出。

　　Lyman[8]更严格地给出了旋转坐标系中转焓守恒的条件。本文将在此基础上进一步讨论转静叶转焓和焓的变化。