3.3 压气机特性

3.3.1 特性的产生

一台压气机在一定条件下测得的转速、流量、压比和效率等参数，只能反映这台压气机在特定进气情况下所具有的物理特性，只有通过折合关系式得到的折合转速和折合流量，结合测得的压比、效率，才能得到通用特性。压气机通用特性一般包含5个重要性能参数，即折合转速、折合流量、压比、效率和喘振裕度。通常折合转速和折合流量为自变量，另外三个为因变量，因变量与自变量的关系构成了压气机的性能特性。图3-3所示为典型压气机试验系统，由进气过滤器、流量管、进气道、压气机、排气管和排气节流阀等组成。

图3-3 典型压气机试验系统图

首先考虑在转速不变的情况下仅改变流量造成的压气机运行变化。通常通过调节排气节流阀喉道的截面面积来改变其通过流量

式中，μ为流量系数，是实际气流与理想气流通过喉道的流量比；K为常数，由气体比热比和气体常数决定；由克服排气损失和压降达到环境压力p_a与压气机出口总压匹配后共同决定；由实现所需轮缘功的压气机出口总温决定；A_e为排气面积；q（Ma_e）为流量函数随出口马赫数的变化。质量流量G则决定着压气机的通过流量。该式很难直观地看出压气机通过流量与排气面积A_e、排气压力的关系。为此，基于可压流Bernoulli方程式，在定常无黏情况下存在如下公式：

显然，环境速度v_a=0。若假设排气平均密度为ρ_m，则结合流量方程式，得到

于是，p_e与G2成正比，并与成反比，产生了如图3-4所示的排气节流阀特性。实际情况将由阀门工作特性决定，但总的趋势是当排气面积A_e减小时，形成流量G减小的p_e-G二次曲线特性，并与压气机特性匹配形成共同工作点。

图3-4 理想情况下的排气节流阀特性

转速n一定，假设排气面积调节过程中压气机轴功恒定，那么，如式（3-6）所示，扣除机械损失、轮阻损失和泄漏损失后就是轮缘功。转速不变时，机械损失和轮阻损失基本不变，但泄漏损失与流量成正比，因此轮缘功体现出随流量增加而减小的线性趋势。而在压气机进出口绝对速度相等时，轮缘功l_u与流阻损失功l_f的差值即为压缩功：

这样流阻损失功l_f随流量的变化特性将最终影响压气机压比和效率特性。而流阻损失功一般由叶片摩擦损失、尾迹损失及二次流损失等组成，从轮缘功中扣除这些损失功后即得到压气机级的压缩功。当然，实际情况与轴功不变的假设有所不同。当压气机几何尺寸确定后，流阻损失功随流量的变化即确定，轴功将随流量的变化而变化。级性能特性曲线的产生如图3-5所示。

图3-5 级性能特性曲线的产生

压气机级特性与排气节流特性存在一个交点，在这个交点上，两条曲线具有相同的排气压力p_e和流量G，而排气压力p_e结合排气马赫数形成的排气总压，就是压气机出口总压克服排气管总压损失的结果。当改变转速n时，则存在不同转速下压气机压比-流量特性与排气节流特性的匹配。当因变量以压比、效率表示，自变量以折合流量G_cor、折合转速n_cor表示时，就得到了压气机通用特性。