透平機械氣體動力學（gas dynamics in turbomachinery），流體動力學的分支之一，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。透平機械內部有相間排列的動輪和靜輪，有功的輸出或輸入，氣體流道形狀複雜。因此，研究這類氣體運動時必須考慮：動輪與靜輪內的相對流動和絕對流動，以及它們之間的相互關聯、轉換和銜接；主流和邊界層的相互干涉，包括跨音速工況中激波和邊界層的相互干涉；透平機械特有的邊界條件，例如周期性條件等。
基本介紹
- 中文名：透平機械氣體動力學
- 外文名：gas dynamics in turbomachinery
通常採用柱坐標,在透平機械內部,氣體在無葉間隙中作軸對稱定常流動,透平機械的三維流動通用理論,透平壓氣機,
通常採用柱坐標
系 (R、Q、Z)來描述透平機械內部的氣體流場，也就是把速度、壓力、密度和溫度等參數視為R、Q、Z和時間的函式。 若將坐標系與動輪固結在一起，坐標繫上所觀察到的就是工質相對於動輪的運動，這種坐標系稱為相對坐標系。若將坐標系與地面相固結，則稱為絕對坐標系。這兩種坐標系可以相互轉換。
在透平機械內部
,氣體的實際流動非常複雜,具有三維和非定常的性質，且工質本身又是粘性的可壓縮實際氣體。描述這種流動的方程有連續方程、粘性可壓縮氣體的運動方程、能量方程和實際氣體的狀態方程等。要準確地求解這類具有 4個自變數的非線性偏微分方程組的初步近似值的問題，在數學上尚存在困難。為此，必須設法對問題進行合理簡化。
20世紀以前，透平機械中的氣體流動是按照一維流動理論設計計算的。1839年，A.J.C.B.de聖維南和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。1894年,瑞典工程師C.G.P.de拉瓦爾取得了收縮-擴張噴管（後稱拉瓦爾噴管）的專利，並將它用於汽輪機。二維流動理論產生於1920年。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，後來又修正了相鄰葉片的影響。為提高透平機械性能，20世紀初開始發展平面葉柵模型。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，以及按合理規定的表面壓力分布來確定葉片形狀。
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，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沿徑向的變化和圓柱面內的二維流動。但這種假設具有明顯的近似性質，對於輪轂比小、通道子午擴張角大的透平機械尤為如此。為了使流動模型更接近實際，必須發展透平機械的三維流動理論。
1905年，H.洛倫茨提出通流理論，即無限多葉片理論。這種理論假設葉片數目趨於無限多，而葉片厚度趨於無限薄。這樣，兩相鄰葉片間的各相對流面的形狀與葉片中心面一致，且周向變化量趨近於零。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。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。50年代初，中國科學家吳仲華對通流理論作出改進，並提出透平機械三維流動通用理論。這個理論引入S 1和S 2兩類相對流面的概念，並分別導出了這兩類流面流動的基本方程，通過這兩類流面的適當組合和交替運用，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（見圖[三維流動通用理論示意圖]）。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。這樣可得到三維流動的初步近似。
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。實際上，由於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和超音速區，且存在形狀、數目和位置均屬未知數的激波面和音速面。因此，跨音速流動是透平機械氣體動力學研究的方向之一。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。對於流體粘性的影響，工程上通常採用半經驗方法進行修正。此外，葉片型面上的邊界層與機盒或輪轂上的環壁邊界層之間,以及邊界層主流之間的相互作用,會產生所謂“二次流”現象，它對於透平機械的性能有不小的影響。因此，對透平機械中粘性流動的研究是方向之三。
透平壓氣機
在某些非設計工況下，透平機械特別是透平壓氣機，經常出現效率下降、工況波動甚至零部件損壞等現象。旋轉失速、喘振、動葉與靜葉之間的干擾、進口流場畸變、葉片顫振等都屬於這一類現象。所謂旋轉失速，是指在壓氣機的葉片排中由於氣流分離導致壓比和效率的下降。喘振是指在壓氣機中沿軸向有氣流脈動，從而壓比和效率隨之大幅度下降的現象。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。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。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，並從周圍氣流吸取能量，這能量加強葉片振幅，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。所有這些現象都與流場的非定常性緊密相關聯。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，隨著透平機械在航空、機械等工業部門的廣泛套用，透平機械氣體動力學的實驗研究規模和技術水平日益提高。一些工業國家已擁有功率高達數萬千瓦、轉速高達每分數萬轉的旋轉實驗台以及平面和環形葉柵風洞等實驗設備，並廣泛採用雷射測速、可見觀查、電測非電量等測試手段以及相應的數據處理系統。這些實驗研究將使透平機械的氣動特性不斷提高，使理論更為完善。
