两个离心压气机叶轮的设计与性能比较

采用离心压气机计算机辅助集成设计系统,设计了两个不同子午形面和叶片角的离心压气机叶轮.对这两个离心压气机叶轮内部流场进行了三维粘性计算,给出了计算结果.计算结果表明,在一定范围内,降低叶片轮缘-轮毂方向的负荷可以提高叶轮效率,后加载方式可以改善离心压气机叶轮性能.叶轮进口尺寸相同的情况下,子午形面和叶片角的变化对叶片负荷分布有较大影响.     

车用涡轮增压器压气机叶轮几何参数优化设计和性能分析

针对车用涡轮增压器,研究了压气机叶轮几何参数的优化设计方法,分析了几何参数对压气机性能的影响,建立了压气机设计系统几何参数的优化策略.通过具体实例计算,对比了不同参数对叶轮性能的影响, 通过调整叶片的进出口角度、进口直径、出口宽度以及正确选择叶片出口叶尖间隙等措施进一步提高了压气机性能.所建立的叶轮几何参数优化选择方法,可用于车用涡轮增压器离心压气机的几何参数优化和性能预测.     

几何参数变化对离心压气机性能的影响

以某离心压气机为研究对象,依据一维平均流线法计算了不同换算转速下的特性,获得了具有较高参考价值的性能曲线。为了进一步匹配不同换算转速下的几何参数,分别优化分析了叶轮叶片出口角、导流叶片进口预旋角以及叶片扩压器安装角等参数对离心压气机性能的影响。结果表明:后弯叶片角度提高10°,100%转速下压比降低最多达9.9%;90%转速下最高效率降低最多达1.5%。前弯叶片角度提高10°,90%转速下压比提高最多达7.4%;80%转速下效率降低最多达1.4%。进口导流叶片预旋值的调节对设计转速下峰值效率影响不大,其值在以5°为梯度由正到负的变化过程中,压比逐渐升高且较原始值最大改变量多达2.7%。叶片扩压器安装角在±8°为梯度调节时,设计转速下压比最多有2.7%的下降量,峰值效率点变化不明显。     

叶片前缘后掠对离心压气机性能的影响

设计了两个带楔形扩压器的离心压气机,一个为叶片前缘后掠,另一个为叶片前缘不掠式普通叶轮.分别对这两个离心压气机进行内部流场数值计算,比较了这两种压气机性能的差别 ,分析了前缘后掠对离心压气机的性能及内部二次流的影响.比较了19个扩压器叶片压气机与23个扩压器叶片压气机性能的差别.结果表明,叶片前缘后掠使压气机喘振裕度减小;在叶轮进口附近区域,两种叶轮二次流涡系有一定差别.     

前倾角对离心压气机叶轮性能的影响

为研究前倾角对离心压气机性能的影响,使用离心压气机计算机辅助集成设计系统设计了一个普通后弯叶轮,并通过改变叶轮出口角得到了带有30°和45°两个不同前倾角的离心压气机叶轮。利用三维Navier-Stokes方程对这3个叶轮的特性曲线进行了计算。计算结果表明,在相同流量情况下,随前倾角的增大,叶轮压比下降。合适的前倾角有利于扩大压气机工作范围,能够改善流道内的流动,提高等熵效率。     

小流量工况下叶尖弯曲对间隙流动影响的数值研究

为研究叶片叶尖弯曲对间隙流动的影响情况,采用数值模拟方法,研究了不同叶尖弯曲参数(弯曲方向、弯高、弯角)对跨声速压气机动叶在小流量工况条件下的间隙流动的影响,研究对象为美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)Rotor37跨声速压气机转子叶排.结果表明:在小流量工况条件下,叶尖弯曲对平均效率的影响无明显规律,但可能导致平均效率下降;叶尖正弯曲能够改善间隙附近的流动情况,使叶片通道内的堵塞程度降低,降低间隙附近的流动损失;而叶尖反弯曲会使得叶片通道内的堵塞程度增加,增加间隙附近的流动损失.     

离心压气机性能影响机理研究及优化

压气机作为航空发动机的核心器件,对发动机的流量和功率影响显著。与轴流压气机相比,离心压气机具有结构简单、制造方便以及单级压比高等特点,十分适用于流量较小、总压比不高的小型涡轴发动机。该文基于Concepts NREC对离心压气机的叶轮和扩压器在规定工况下进行整体设计,并对离心压气机进行三维数值模拟,研究典型参数对离心压气机的影响,对初步设计模型参数进行优化,得到在设计工况下离心压气机的理想模型。研究表明：适当降低进口轮毂比、适当减小叶轮叶根进口角、合理选择叶顶间隙数值和叶轮出口相对宽度对提升压气机的效率和压比有利,优化后的离心压气机效率最高可达0.831,对应压比为8.771,工作裕度为18.44%,效率比初步设计的离心压气机提高了4.79%,压比提高了3.68%。     

机匣处理对离心压气机激波与泄漏涡干涉的影响

跨声速离心压气机间隙泄漏涡与激波相互干涉对压气机性能有重要影响.采用CFD方法对设计的跨声速离心压气机进行数值模拟,分析了激波与间隙泄漏涡的相互作用,研究了自循环机匣处理开缝位置对激波/间隙泄漏涡干涉的影响.结果表明:导风轮叶尖泄漏涡与激波干涉是压气机失速的重要诱因;机匣处理开缝位于分流叶片附近可扩大堵塞流量,开缝位于主叶片前缘附近可改善小流量时压气机特性;较大气体回流量可增加叶轮进口轮缘附近气流的正预旋,降低叶轮进口相对马赫数,减弱流道激波和叶尖泄漏涡;流经机匣处理槽的气流量较小时,具有微喷气或吸气效应,能抑制间隙泄漏涡,推迟压气机失稳.     

小型前弯离心风机叶轮参数优化

为了提高小型前弯离心风机的气动性能,以汽车座椅通风用离心风机为研究对象,采用数值模拟与正交试验相结合的方法,研究叶片数、叶片出口角、叶片进口角以及叶片厚度对离心风机气动性能的影响. 基于小风量风机性能实验台,验证数值模拟结果的正确性. 选取三水平正交表L9（34）进行此次试验,建立了9种不同参数组合下的叶轮模型,以最大静压为优化目标,采用计算流体动力学方法,得到了最佳离心风机参数组合. 对优化前、后离心风机内部流场的压力与速度分布进行了对比分析. 由正交试验结果分析可知,各参数对离心风机最大静压影响的主次顺序为叶片出口角、叶片进口角、叶片数和叶片厚度;达到最大静压的参数组合为：叶片数55,叶片进口角95°,叶片出口角125°,叶片厚度0.8 mm. 优化后离心风机的无因次特性曲线优于原有风机,在高效率区域静压可提高3.78%~10.67%,具有更好的气动性能. 对比优化前、后离心风机内部流场的压力与速度分布可知,优化后的离心风机内部流场分布更加均匀,在叶轮进口处低压区的压力更低,速度更大,更有利于气流的进入.     

弯曲动叶对跨声速压气机转子气动性能与旋涡结构的影响

在验证数值可靠性的基础上,利用商业软件NUMECA对跨声速压气机动叶弯曲造型并进行三维数值模拟.结果表明:叶片弯曲变形改变了型面静压分布、三维激波结构以及通道内旋涡结构.反弯曲改型设计在保证稳定工作范围和总压比的前提下绝热效率得到了提升,其提升效果随着弯高、弯角而变化,最高达1.3%.正弯曲改型设计使得转子气动性能降低,且随着弯高、弯角的增大,其性能恶化趋于严重.反弯曲设计叶顶激波后移且激波强度减弱,叶顶前缘压差的减小使得泄漏流及泄漏涡强度大大降低;相反,正弯曲设计叶顶激波前移激波强度增强,且大的叶顶前缘压差加剧了叶顶泄漏流动及泄漏涡强度.     

低比转数叶轮的优化设计

离心泵的效率主要由叶轮的水力模型决定,叶轮的圆盘摩擦损失与叶轮外径的5次方成正比,减小叶轮的外径就成为提高泵效率的重要途径之一.文中根据实际使用叶轮的参数,用理论和经验相结合的方法改进原有叶轮叶片的各几何参数,并进行优化组合,同时计算了叶轮出口外径为最小值时叶轮的出口安放角,使叶轮的效率达到最高.     

缝隙引流叶片对低比转速离心泵性能的影响

低比转速离心泵由于叶轮直径大、出口宽度小、流道扩散严重等原因,导致其效率偏低且很难改善.缝隙引流技术可大幅提高低比转速离心泵的性能.为进一步分析缝隙引流技术对不同低比转速离心泵性能的影响,设计3种不同比转速的常规叶轮和缝隙引流叶轮.为便于分析比较,将同一比转速的叶轮在同一蜗壳内进行实验.实验结果表明:缝隙引流技术可有效地提高扭曲叶片叶轮的性能,且对不同低比转速离心泵性能的影响程度和影响区域不同;缝隙引流叶片包角和缝隙越小,对泵性能的改善越有利.     

离心泵输送粘性流体时叶轮出口宽度的设计

粘性流体在离心泵内流动时，叶轮流道内附面层变厚，流动排挤作用增强，在计算分析叶片边界层厚度的基础上，建立了新的叶轮出口宽度设计方法，针对一种离心泵，在一定输送介质粘度范围内，设计了3种不同出口宽度的离心叶轮，实验研究了叶轮出口宽度对离心泵性能的影响，并与常规的离心水泵叶轮进行性能对比，验证了输送粘性流体时叶轮出口宽度的设计新方法。     

串列叶片式离心叶轮内流场的数值研究

对串列叶片式离心叶轮内部三维可压缩湍流及气动性能进行了数值模拟,重点研究了诱导轮及导出轮之间5种不同相对周向位置排列方式对串列式叶轮内部流场及气动性能的影响,并与传统单列叶片式离心叶轮进行了比较.研究表明：对于串列式叶轮,相对周向位置因子对气动性能及流场的影响较大;当串列式叶轮的后轮相对于前轮沿旋转方向交错排列时,叶轮的多变效率低于单列式叶轮,当相对周向位置因子为0.0-0.4时,压比高于单列式叶轮,压比最大提高为1.4%,且叶轮出口流动参数沿周向分布比较均匀,对降低叶轮-扩压器间非定常冲击损失及气动噪声有利;当串列式叶轮的后轮以反旋转方向排列时,叶轮的多变效率及压比均低于单列式叶轮,且叶轮内部及出口流动分布很不均匀.研究成果对串列式离心叶轮及离心压缩机的节能设计具有一定的参考价值.     

具有分流叶片的离心式压缩机叶轮跨叶片流动计算

本文提出了计算具有分流叶片的离心式压缩机叶轮跨叶片方向的计算方法,这一方法运用统一的控制方程处理不同区域的问题,在每一个区域之间的数据结构联结均有程序自动完成。分流比的确定参照现有的方法,以分流叶片前缘点坐标插值获得,并考虑出口条件的影响。根据叶轮进口轴向分速和叶片对上游的影响确定上游过界条件,下游边界条件根据绝对速度等环量变化确定。算例结果表明,分流叶片长度、圆周位置均对流场有很大影响,当分流叶片前缘处于相邻两长叶片中间,而后部偏向长叶片压力面一侧时,流动状况有较大改善,并且叶片载荷减小,出口库塔条件满足。     

非轴对称弯掠静叶对畸变流场影响的数值研究

为探究非轴对称弯掠静叶在压气机中应用的可行性以及弯掠静叶参数对畸变流场的改善效果,以扇形叶栅试验件为研究对象,采用计算数值模拟方法,研究非轴对称弯掠静叶几何参数对畸变流场的影响.在受进口畸变影响较为严重的位置,设置正弯、反弯、前掠、后掠静叶,构成不同非轴对称静叶造型方案,探究其对静叶流场的改善.结果表明:最佳反弯方案Nbow-0.5-10可使流场损失减小2.75%;前掠对于根部损失可起到较好的抑制作用;后掠对根部损失改善效果略逊于前掠,但有利于减小主流区的损失.     

基于NSGA-Ⅱ遗传算法的低比转速离心泵多目标寻优

为了提高低比转速离心泵的水力效率和扬程,选取比转速为30的某一低比转速离心泵为研究对象,以离心泵的扬程和水力效率最大值作为优化目标,采用离心泵基本方程与Plackeet-Burman试验相结合的方法进行参数筛选,最终选取离心泵叶轮的叶片出口安放角、叶片包角和叶片出口宽度作为优化变量.在优化过程中,采用最优拉丁超立方设计方法安排了30组试验,利用RBF神经网络模型拟合出优化目标与变量之间的近似模型,并运用基于NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优.优化结果表明:优化后的叶轮扬程基本没有变化,水力效率提高了5.82%,消除了流量-扬程曲线的驼峰现象,使离心泵的运行更加稳定;优化后叶轮流道内的压力梯度减小,漩涡的发生区域及大小也有不同程度的改善;叶轮流道内湍流区域分布均匀,叶片做功能力增强,水力效率得到提高.     

三元流理论在风机设计、改型中的应用研究

本文用加大叶片进出口安装角及增多叶片数,并用三元流动理论计算流场的方法对叶型进行了有效的改进,从而使高效的工况范围扩大并提高了大流量时的压头。从给出的三个流面的叶片表面速度分布可看出:改型后叶轮具有较好的气动性能及较大的作功能力。而经实验验证表明理论分析与实验结果基本一致。本文提供的实例说明用三元流理论与工程设计、实验相结合来设计和改型风机是一个切实有效的方法。     

蜗壳出口位置对低比转速离心泵性能的影响

为了研究蜗壳出口位置对低比转速离心泵性能的影响,在保证蜗壳基圆、前八断面面积及形状、蜗壳出口直径和中心高相同的前提下,改变蜗壳出口位置,分别设计出A、B、C三种型号蜗壳.以清水为介质,基于雷诺平均法、RNG k-ε湍流模型,对比转速为46的离心泵进行数值计算.结果表明:三种不同出口位置情形时离心泵的外特性变化趋势基本一致,但最高效率值有所不同,在各个工况点,C型的效率均高于A、B型,且三者的高效区均向大工况偏移;三种型号蜗壳的离心泵,在各自相应工况下,叶轮进口处的静压分布、湍动能分布和流线分布大致相同,而叶轮出口及蜗壳流道中三者的变化较大,表明改变蜗壳出口位置对叶轮进口处内流场的影响较小,主要影响叶轮出口及蜗壳流道中内流场的变化.