PAGEPAGEI無(wú)人機(jī)離心壓氣機(jī)工作部件選型案例針對(duì)本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求，選擇合理的壓氣機(jī)部件型式。目標(biāo)離心式壓氣機(jī)包括葉輪、擴(kuò)壓器、蝸殼等組成部分，本節(jié)討論對(duì)于各部件型式的選擇，葉輪、擴(kuò)壓器及蝸殼等部分的參數(shù)計(jì)算將在一維熱力學(xué)計(jì)算部分展開(kāi)。葉輪是離心式壓氣機(jī)中唯一對(duì)氣體做功、使氣體獲得能量的元件，其能性能對(duì)于整個(gè)壓氣機(jī)的性能起著至關(guān)重要的作用。按照葉輪的外形結(jié)構(gòu)可分為閉式葉輪、半開(kāi)式葉輪、雙面進(jìn)氣葉輪。閉式葉輪指的是既有輪蓋、葉片，又有輪蓋的葉輪，閉式葉輪通常擁有較高的效率，所以應(yīng)用也比較廣泛，但是其缺點(diǎn)在于輪蓋帶來(lái)附加重量，導(dǎo)致整體的結(jié)構(gòu)重量相對(duì)較大；半開(kāi)式葉輪指的是有輪盤(pán)和葉片但沒(méi)有輪蓋的葉輪，其特點(diǎn)是有較好的強(qiáng)度，有利于提高葉輪出口的圓周速度并獲得較高的增壓比，其效率相對(duì)閉式葉輪較低，但是結(jié)構(gòu)重量較??；雙面進(jìn)氣葉輪的主要特點(diǎn)是流量氣體流量較大，但是由于部分葉片底部與輪盤(pán)不相連接，葉片的強(qiáng)度較差，容易出現(xiàn)振動(dòng)從而導(dǎo)致工作穩(wěn)定性變差。半開(kāi)式葉輪作為閉式葉輪與開(kāi)式葉輪的過(guò)渡，既能相對(duì)增大壓力比，又使結(jié)構(gòu)緊湊，故采用半開(kāi)式葉輪的逐漸增多。本文也選用半開(kāi)式葉輪作為葉輪型式。（a）（b）（c）圖3.4葉輪型式閉式（b）半開(kāi)式（c）雙面進(jìn)氣按葉片出口安裝角的大小,可分為后彎式葉輪、前彎式葉輪、徑向葉輪三種型式。后彎式葉輪：，也稱(chēng)為后向葉輪；前彎式葉輪：，也稱(chēng)為前向葉輪；徑向葉輪：。在實(shí)際的應(yīng)用中，使用的最多的是后彎式葉輪，其次是徑向葉輪，通常不會(huì)使用前彎式葉輪。（a）（b）（c）圖3.5三種葉輪型式示意圖（a）后彎式葉輪（b）徑向葉輪（c）前彎式葉輪（a）（b）（c）圖3.6三種葉輪的速度三角形（a）后彎式葉輪（b）徑向葉輪（c）前彎式葉輪在三類(lèi)葉輪進(jìn)口參數(shù)、出口直徑、出口寬度、葉輪工質(zhì)、流量和轉(zhuǎn)速等條件相同時(shí)，對(duì)比如圖的三種葉輪的速度三角形，根據(jù)歐拉方程可知，前彎式葉輪做功能力最強(qiáng)，徑向葉輪做功能力居中，后彎式葉輪做功最差。但通過(guò)歐拉第二方程式，其中，項(xiàng)的作用為提高氣體靜壓并且克服流動(dòng)損失，而項(xiàng)主要代表了氣體動(dòng)能的增加。對(duì)于三類(lèi)葉輪，項(xiàng)完全相等，只是項(xiàng)不同，因此，前彎式葉輪的做功能力雖然強(qiáng)，但是只用于了提高了葉輪出口的氣體動(dòng)能，并沒(méi)有用于提高氣體靜壓而克服流動(dòng)損失，采用前彎式葉輪的壓氣機(jī)的氣體動(dòng)能要在固定件中繼續(xù)轉(zhuǎn)化為壓力勢(shì)能。一般來(lái)說(shuō)，我們希望葉輪對(duì)氣體所做的功盡可能多地在葉輪中轉(zhuǎn)化為氣體靜壓的提高（葉輪是壓氣機(jī)中效率最高的元件)，不希望葉輪所做功較多用于提高葉輪出口的速度，因?yàn)槿~輪出口速度還需要在其后的固定元件中進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為靜壓能，而氣體在固定元件中的流動(dòng)效率較低，這樣不利于獲得較高的整級(jí)效率。故具有后彎葉片工作輪的壓氣機(jī)，其氣體壓力的提高主要在葉輪中獲得的，故其效率較高，徑向葉片工作輪做功能力與效率介于上述兩者之間?？紤]到工作效率是小型無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵考慮內(nèi)容，故本文選擇后彎式葉輪進(jìn)行研究。擴(kuò)壓器的主要功用則是使從葉輪出口流出的氣流減速增壓，由于環(huán)形通道的截面面積隨著半徑增加而增大，所以氣體由內(nèi)而外流動(dòng)時(shí)氣流速度逐漸降低，壓力逐漸升高。擴(kuò)壓器通常由兩種結(jié)構(gòu)形式，分別是無(wú)葉擴(kuò)壓器、葉片擴(kuò)壓器，無(wú)葉擴(kuò)壓器通常由兩片平行壁面構(gòu)成環(huán)形通道構(gòu)成，稱(chēng)為等寬度無(wú)葉擴(kuò)壓器，其主要通過(guò)增加直徑實(shí)現(xiàn)氣流速度降低、壓力上升，沒(méi)有葉片，因此沒(méi)有沖擊損失，也沒(méi)有喉部界面，變工況性能較好，工況范圍寬，性能曲線平坦，穩(wěn)定的工作范圍大，能夠適應(yīng)氣流馬赫數(shù)較大的情況，保持較好的工作效率；葉片擴(kuò)壓器相對(duì)無(wú)葉擴(kuò)壓器多了葉片附在壁面，通常情況下，與無(wú)葉擴(kuò)壓器相比，葉片擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓能力更強(qiáng)，氣體在葉片擴(kuò)壓器中受到葉片外形的引導(dǎo)，流動(dòng)軌跡大致與葉片的幾何關(guān)系一致，由于其流程較短，因而有比較好的效率，缺點(diǎn)在于葉片的存在，其流動(dòng)損失除了摩擦損失、分離損失外，還增加了葉片引起的沖擊損失、尾跡損失和二次流損失，容易使得效率下降，在沖角增大到一定值后，易發(fā)生強(qiáng)烈分離，導(dǎo)致壓氣機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離和喘振，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，葉片進(jìn)口處形成了喉部截面，對(duì)來(lái)流馬赫數(shù)的提出了較高的要求，也限制了壓縮機(jī)的最大流量。本文設(shè)計(jì)的微型離心壓氣機(jī)面向高空高原環(huán)境，用于小流量高轉(zhuǎn)速的變工況情況下，因此僅選用無(wú)葉擴(kuò)壓器作為其擴(kuò)壓段的部件。蝸殼的主要作用為收集從葉輪或者擴(kuò)壓器中流出的氣體，將其送入后面的輸氣管道或冷卻器裝置等中，也可以直接排入大氣，蝸殼是離心壓氣機(jī)中效率最低的通流元件。故針對(duì)蝸殼的設(shè)計(jì)，其效率高低作為本設(shè)計(jì)的主要考慮點(diǎn)。用于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器的蝸殼通常分為變截面蝸殼與等截面蝸殼，由于氣體從葉輪或擴(kuò)壓器出口圓周流出并具有較大的周向分速度，所以在蝸殼通道內(nèi)不同周向位置處的通流截面上氣體流量將不一樣，等截面的蝸殼結(jié)構(gòu)不能很好地適應(yīng)流量分布的實(shí)際情況，因此效率較低，實(shí)際中應(yīng)用較少；變截面蝸殼也是目前比較常用的蝸殼類(lèi)型，其通流截面沿著氣流旋繞方向逐漸增大，從回轉(zhuǎn)面方向看，蝸殼主要由圓周方向的螺旋形通道和其后出口處的一段擴(kuò)壓管組成，蝸殼