超临界二氧化碳离心压气机设计和气动性能研究

针对150 kW超临界二氧化碳(SCO_2)简单布雷顿循环,设计了转速为60 000 r/min的离心压气机。由于SCO_2在临界点附近物性的剧烈变化,物性表的精度直接影响SCO_2压气机气动性能数值预测的稳定性和准确性。验证了400×400精度的SCO_2物性表能够获得可靠的SCO_2离心压气机气动性能。采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和k-ε湍流模型的方法,研究了所设计的SCO_2离心压气机设计工况和变工况气动性能,详细分析了离心叶轮间隙泄漏流动特性。结果表明:所设计的SCO_2离心压气机设计工况考虑间隙泄漏损失的气动效率是73.2%,压比是2.207。SCO_2离心压气机具有优良的变工况气动性能。与不考虑离心叶轮间隙泄漏损失相比,SCO_2离心压气机气动效率降低了14.0%。离心叶轮叶顶间隙泄漏流动主要分为3个区域,分别是顺流而下的分离涡区域、叶顶间隙上半部分区域在逆压梯度作用下的回流流动区域和叶顶间隙下半部分在主流作用下的顺流流动区域。研究工作表明所设计的SCO_2离心压气机气动性能满足150 kW级简单SCO_2布雷顿循环的设计要求。     

电驱动离心压气机叶型分析及设计

通过分析基于电机驱动压气机的性能要求和工作特点,得到可运行于低转速范围下的高效电动压气机叶轮设计策略.对比普通车用涡轮增压离心压气机叶轮J90和电动压气机叶轮JE90以及分析两种不同应用场合的叶轮的子午流道外形、叶片角分布和叶片载荷分布等存在的差异,得到低比转速电动压气机叶轮叶型的几何设计规律和策略.结果表明:优化子午流道外形可以改善流动情况,减小二次流损失;分流叶片后掠可以增大失速裕度和稳定工作裕度,叶轮尾部叶片角分布中可以选择较小的出口叶片角以提高其做功能力,加大吸力面和压力面的载荷差距,即压差更大可增强对空气做功能力;主叶片厚度最大值不宜过大且保证在中间跨度的厚度分布均匀.      

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%。     

基于Vista CCD的高增压比离心压气机设计和性能计算

基于Vista CCD离心压气机设计和气动性能分析软件,设计了一型增压比达到8的高增压比离心压气机,并利用叶轮分析工具对该压气机的叶轮的气动性能进行了验算。计算结果表明:该型离心叶轮设计点的工况基本接近设计的预期值,但由于叶轮结构和高负荷带来的叶轮壅塞条件下气流参数分布的复杂性,叶轮的流量大于设计流量,由此验证了该软件良好的初级设计效果。叶轮工作流场的数值分析结果还表明:高负荷叶轮出口部位后弯角度、前倾角度、叶顶间隙对整体性能均有影响。     

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。     

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.     

某MW级燃机低压离心压气机优化设计

为了优化离心压气机叶轮与扩压器的匹配特性,该文开发了基于iSIGHT的1维优化设计系统。针对某MW级燃机低压级离心压气机,对其几何参数及匹配特性进行了优化设计。计算结果表明:原始设计中扩压器与叶轮不相匹配,无叶扩压器径比过大,从而导致整级效率偏低。根据1维优化计算结果,在3维上对扩压器进行了重新设计,减小了无叶扩压器径比,并采用串列式有叶扩压器代替了原有单级有叶扩压器。与原始设计相比,优化后的离心压气机整级性能有了明显改善,压比提高了约4%,效率提高了约2%。     

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.     

轴流压气机三维流场数值模拟

使用商业软件Numeca对某型轴流压气机进行三维数值模拟计算,采用Spalart-Allmaras湍流模型,运用隐式残差光顺法、多重网格法以及当地时间步长加速收敛技术缩短计算周期,得出了设计转速下的特性曲线,在此基础上进一步改变压气机出口参数来分析压气机叶轮发生失速喘振的原因,这对防止压气机失稳非常重要.然后对压气机内部流场进行了详细分析,得出了轴流压气机转子内部的流动参数分布规律,并指出造成压气机效率及压比损失的原因.     

采用遗传算法的离心叶轮多目标自动优化设计

针对离心叶轮多目标自动优化设计,首先提出了一种离心叶轮参数化方法,通过对离心叶轮型线数据进行转换,分别建立了圆柱坐标系下叶轮控制参数与归一化长度参数之间的关系,采用非均匀有理B样条进行叶型重构,获得叶片和叶轮子午流道构型.将离心叶轮参数化方法、多目标遗传算法及商业化数值计算软件NUMECA相结合,建立起离心叶轮自动优化设计平台.以总压比和效率为设计目标,在设计工况下,采用该方法对Krain高速离心叶轮进行气动优化设计,获得一系列优化叶轮,并采用数值模拟方法对叶轮内部流动特性及其气动性能进行了比较分析.结果表明,优化叶轮的总体气动性能有不同程度的改善,在叶轮出口截面上流场分布更加均匀,总压比和等熵效率约提高了2.5%和1.0%,同时也验证了所发展的多目标离心叶轮自动优化设计方法的有效性.