为什么涡轮的轴向力比压气机的小。？
您好！很高兴能为您解答关于涡轮轴向力比压气机小的疑问。这个问题涉及到航空发动机或燃气轮机内部气流能量转换的基本原理，以及由此产生的力学效应。我们来深入探讨一下。
首先，我们需要明确一点：这里比较的是涡轮的轴向力和压气机的轴向力，而不是涡轮叶片受到的力和压气机叶片受到的力。轴向力是指在发动机轴向方向（也就是发动机旋转轴的方向）上的合力。
核心原因在于能量转换的方向和气流状态的变化。
我们先从压气机说起：
压气机的任务： 压气机的主要作用是吸入空气，然后通过一系列旋转叶片和静止叶片的作用，将空气的动能转化为压力能，使空气的压力和温度升高。简单来说，它是一个“增压”设备。
压气机中的轴向力是如何产生的？
1. 气流加速并改变方向： 当空气进入压气机时，它会以一定的速度和方向流动。经过叶片后，空气的速度会增加（相对于叶片），同时其方向也会被改变。这种速度和方向的变化，根据动量守恒定律，必然会在叶片上产生反作用力。
2. 压力差： 在压气机叶片的前后表面存在压力差。通常情况下，流过叶片外侧（高压侧）的气流压力会大于流过叶片内侧（低压侧）的气流压力。这个压力差作用在叶片表面上，并且在轴向方向上存在一个分量。
3. 离心力效应： 由于压气机叶片是旋转的，流体在旋转过程中会受到离心力。虽然离心力本身是径向的，但由于叶片结构的复杂性和气流的相对运动，在一些区域会产生轴向力的贡献。
4. 增压效应（关键点）： 压气机通过做功使空气的压力升高。这意味着在压气机出口区域，空气的压力远高于入口区域。这个高压空气会试图向低压区域（即发动机的后方）扩张。这种“推”的趋势，在轴向上就表现为一股力，将整个压气机组件向前推（相对于流动的方向）。可以理解为，高压空气试图“泵”动它前方的物体。
具体来说： 想象一下压气机的一级叶轮。空气进入时压力不高，但经过叶轮加速并流经扩压器后，压力显著升高。出口的空气拥有更高的动量和更高的压力。在轴向上，由于空气压力在流过压气机后整体升高，一股“推力”自然会作用在叶轮和轮盘上，将它们向前推。
现在我们来看涡轮：
涡轮的任务： 涡轮的作用与压气机相反。它接收来自燃烧室的高温高压燃气，通过燃气推动涡轮叶片旋转，将燃气的热能和压力能转化为机械能，驱动压气机和其他附件旋转。简单来说，它是一个“减压”设备。
涡轮中的轴向力是如何产生的？
1. 气流减速并改变方向： 燃气进入涡轮时温度和压力都很高。经过涡轮叶片时，燃气的能量被消耗，用于驱动叶片旋转，因此燃气的速度会增加（相对于叶片），同时方向也会被改变。
2. 压力差： 在涡轮叶片的前后表面也存在压力差，但与压气机相反。通常情况下，流过涡轮叶片内侧（高压侧）的气流压力会大于流过叶片外侧（低压侧）的气流压力。
3. 能量转换（关键点）： 涡轮的核心功能是“放能”。高压高能的燃气在流过涡轮叶片时，其压力和温度会急剧下降，能量被转化为叶片的转动动能。
具体来说： 高温高压的燃气从燃烧室进入涡轮。在第一级涡轮导向叶片（喷嘴）中，燃气的压力能转化为动能，速度急剧增加。然后，这些高速燃气冲击涡轮叶片。燃气在叶片上膨胀，压力和温度进一步降低，这个过程中燃气对叶片施加了一个力。
轴向力的形成： 当高压燃气流过涡轮叶片时，它的压力在轴向上向后（相对于发动机前端）传递。然而，更重要的是，燃气在膨胀过程中，其轴向速度会增加。而且，由于燃气整体压力在下降，它不像压气机那样产生一个“向前推”的整体效应。反而，燃气在膨胀后，其动量在轴向上的变化，加上叶片对气流方向的改变，会产生一个力。
与压气机的对比： 在压气机中，空气是被“压缩”的，出口压力远高于入口，这使得空气有了一个向外“推”的趋势，形成了一个显著的轴向推力。而在涡轮中，燃气是“膨胀”的，出口压力远低于入口。虽然燃气流速很高，但整体来说，它没有一个强大的、向“后”推动的趋势。
为什么涡轮的轴向力“相对”更小？
1. 压力变化方向： 压气机使空气压力升高，形成一个从后向前（相对于气流）的压力梯度，驱动空气，也产生轴向推力。涡轮使燃气压力降低，这个过程是“放能”，虽然也会有压力梯度，但它不像压气机那样产生一个整体的“推”的趋势。
2. 能量状态： 压气机是耗能加速，但主要目的是增加压力。涡轮是做功减压，能量被转化为机械功。从能量转换的性质来看，涡轮是消耗能量产生转矩，而不是像压气机那样通过做功来“囤积”能量并产生推力。
3. 流体密度和流量： 虽然涡轮处的燃气温度很高，但其密度会降低。同时，虽然燃气流量可能与压气机相当，但其能量密度和焓降是关键。在同等气流通过叶片时，涡轮叶片承受的来自“高压向低压推动”的轴向分力，往往小于压气机因为“低压向高压压缩”而产生的轴向分力。
4. 设计考量： 压气机产生的轴向推力通常会大于涡轮产生的轴向力。航空发动机和燃气轮机都需要解决轴向力平衡的问题。压气机产生的巨大轴向推力是需要特别设计的轴承系统来承受的。而涡轮产生的轴向力相对较小，有时甚至可能需要抵消一部分压气机的轴向力，或者通过其他设计手段来平衡。
举个不完全恰当但有助于理解的比喻：
压气机就像一个往水管里打气的东西，它不断地往里“压”，水（空气）被压缩，水管整体会受到一个向外的推力。
涡轮就像一个被水流驱动的水轮机，水流冲击叶片使其转动，水流本身虽然有速度和方向，但它在通过叶片后，能量减弱了，它推动叶片的“力”更多是方向性的，而不是像打气那样整体向外推。
总结一下，涡轮的轴向力之所以通常小于压气机，主要是因为：
压气机是增压设备，通过消耗能量提高介质的压力，高压介质在轴向上会产生一个整体的“向前推”的趋势。
涡轮是减压设备，通过介质的膨胀来做功，介质的压力降低，虽然高速气流对叶片有力的作用，但其轴向产生的整体推力不如压气机那么显著。
在实际发动机设计中，轴向力的平衡是一个非常重要的课题，需要精密的计算和结构设计来承受或抵消这些力，以确保发动机的平稳运行和长寿命。
希望这个解释能帮助您理解为什么涡轮的轴向力通常比压气机小。如果您还有其他问题，随时可以提出。
首先，我们需要明确一点：这里比较的是涡轮的轴向力和压气机的轴向力，而不是涡轮叶片受到的力和压气机叶片受到的力。轴向力是指在发动机轴向方向（也就是发动机旋转轴的方向）上的合力。
核心原因在于能量转换的方向和气流状态的变化。
我们先从压气机说起：
压气机的任务： 压气机的主要作用是吸入空气，然后通过一系列旋转叶片和静止叶片的作用，将空气的动能转化为压力能，使空气的压力和温度升高。简单来说，它是一个“增压”设备。
压气机中的轴向力是如何产生的？
1. 气流加速并改变方向： 当空气进入压气机时，它会以一定的速度和方向流动。经过叶片后，空气的速度会增加（相对于叶片），同时其方向也会被改变。这种速度和方向的变化，根据动量守恒定律，必然会在叶片上产生反作用力。
2. 压力差： 在压气机叶片的前后表面存在压力差。通常情况下，流过叶片外侧（高压侧）的气流压力会大于流过叶片内侧（低压侧）的气流压力。这个压力差作用在叶片表面上，并且在轴向方向上存在一个分量。
3. 离心力效应： 由于压气机叶片是旋转的，流体在旋转过程中会受到离心力。虽然离心力本身是径向的，但由于叶片结构的复杂性和气流的相对运动，在一些区域会产生轴向力的贡献。
4. 增压效应（关键点）： 压气机通过做功使空气的压力升高。这意味着在压气机出口区域，空气的压力远高于入口区域。这个高压空气会试图向低压区域（即发动机的后方）扩张。这种“推”的趋势，在轴向上就表现为一股力，将整个压气机组件向前推（相对于流动的方向）。可以理解为，高压空气试图“泵”动它前方的物体。
具体来说： 想象一下压气机的一级叶轮。空气进入时压力不高，但经过叶轮加速并流经扩压器后，压力显著升高。出口的空气拥有更高的动量和更高的压力。在轴向上，由于空气压力在流过压气机后整体升高，一股“推力”自然会作用在叶轮和轮盘上，将它们向前推。
现在我们来看涡轮：
涡轮的任务： 涡轮的作用与压气机相反。它接收来自燃烧室的高温高压燃气，通过燃气推动涡轮叶片旋转，将燃气的热能和压力能转化为机械能，驱动压气机和其他附件旋转。简单来说，它是一个“减压”设备。
涡轮中的轴向力是如何产生的？
1. 气流减速并改变方向： 燃气进入涡轮时温度和压力都很高。经过涡轮叶片时，燃气的能量被消耗，用于驱动叶片旋转，因此燃气的速度会增加（相对于叶片），同时方向也会被改变。
2. 压力差： 在涡轮叶片的前后表面也存在压力差，但与压气机相反。通常情况下，流过涡轮叶片内侧（高压侧）的气流压力会大于流过叶片外侧（低压侧）的气流压力。
3. 能量转换（关键点）： 涡轮的核心功能是“放能”。高压高能的燃气在流过涡轮叶片时，其压力和温度会急剧下降，能量被转化为叶片的转动动能。
具体来说： 高温高压的燃气从燃烧室进入涡轮。在第一级涡轮导向叶片（喷嘴）中，燃气的压力能转化为动能，速度急剧增加。然后，这些高速燃气冲击涡轮叶片。燃气在叶片上膨胀，压力和温度进一步降低，这个过程中燃气对叶片施加了一个力。
轴向力的形成： 当高压燃气流过涡轮叶片时，它的压力在轴向上向后（相对于发动机前端）传递。然而，更重要的是，燃气在膨胀过程中，其轴向速度会增加。而且，由于燃气整体压力在下降，它不像压气机那样产生一个“向前推”的整体效应。反而，燃气在膨胀后，其动量在轴向上的变化，加上叶片对气流方向的改变，会产生一个力。
与压气机的对比： 在压气机中，空气是被“压缩”的，出口压力远高于入口，这使得空气有了一个向外“推”的趋势，形成了一个显著的轴向推力。而在涡轮中，燃气是“膨胀”的，出口压力远低于入口。虽然燃气流速很高，但整体来说，它没有一个强大的、向“后”推动的趋势。
为什么涡轮的轴向力“相对”更小？
1. 压力变化方向： 压气机使空气压力升高，形成一个从后向前（相对于气流）的压力梯度，驱动空气，也产生轴向推力。涡轮使燃气压力降低，这个过程是“放能”，虽然也会有压力梯度，但它不像压气机那样产生一个整体的“推”的趋势。
2. 能量状态： 压气机是耗能加速，但主要目的是增加压力。涡轮是做功减压，能量被转化为机械功。从能量转换的性质来看，涡轮是消耗能量产生转矩，而不是像压气机那样通过做功来“囤积”能量并产生推力。
3. 流体密度和流量： 虽然涡轮处的燃气温度很高，但其密度会降低。同时，虽然燃气流量可能与压气机相当，但其能量密度和焓降是关键。在同等气流通过叶片时，涡轮叶片承受的来自“高压向低压推动”的轴向分力，往往小于压气机因为“低压向高压压缩”而产生的轴向分力。
4. 设计考量： 压气机产生的轴向推力通常会大于涡轮产生的轴向力。航空发动机和燃气轮机都需要解决轴向力平衡的问题。压气机产生的巨大轴向推力是需要特别设计的轴承系统来承受的。而涡轮产生的轴向力相对较小，有时甚至可能需要抵消一部分压气机的轴向力，或者通过其他设计手段来平衡。
举个不完全恰当但有助于理解的比喻：
压气机就像一个往水管里打气的东西，它不断地往里“压”，水（空气）被压缩，水管整体会受到一个向外的推力。
涡轮就像一个被水流驱动的水轮机，水流冲击叶片使其转动，水流本身虽然有速度和方向，但它在通过叶片后，能量减弱了，它推动叶片的“力”更多是方向性的，而不是像打气那样整体向外推。
总结一下，涡轮的轴向力之所以通常小于压气机，主要是因为：
压气机是增压设备，通过消耗能量提高介质的压力，高压介质在轴向上会产生一个整体的“向前推”的趋势。
涡轮是减压设备，通过介质的膨胀来做功，介质的压力降低，虽然高速气流对叶片有力的作用，但其轴向产生的整体推力不如压气机那么显著。
在实际发动机设计中，轴向力的平衡是一个非常重要的课题，需要精密的计算和结构设计来承受或抵消这些力，以确保发动机的平稳运行和长寿命。
希望这个解释能帮助您理解为什么涡轮的轴向力通常比压气机小。如果您还有其他问题，随时可以提出。
网友意见
因为涡轮的落压比比压气机压比小啊
再说有的发动机是可以把涡轮轴向力调到比压气机大的。这种情况通常压气机采用等内径设计，半径比较低，而涡轮半径高，主燃角度陡得很。这样涡轮盘前面积比较大。不过即便如此，要把转子轴向力调成向后也不容易。卸荷腔压力总是比涡轮盘前大的。涡轮盘前腔由于通常要采用预旋喷嘴，静压会低一些。
说得没啥条理，欢迎深入讨论沟通。
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