低速轴流压气机三维流场测量与失速特性分析

在近失速和失速状态下,利用五孔探针对单级轴流压气机转子前后的三维流场进行了详细的测量和对比分析。基于失速状态下进出口壁面静压的动态变化,对失速区的空间结构和气流参数的动态变化规律进行了研究,建立了描述失速区气流参数变化的微分方程模型,并根据实验数据对模型进行了校验。结果表明,失速区内发生了回流,回流的速度方向与主流的夹角约为110°。回流区占据的径向范围为70%叶高以上,轴向范围为静子前部区域。在失速区内,压力、速度等气流参数随时间进行振荡衰减。该动态变化过程可以用二阶系统来描述。     

用空气离心压气机母型模化设计蒸汽离心压气机的研究

本文讨论分析了既能满足性能要求,又能保证设计可靠,以达到降低研制经费、缩短研制周期的单级蒸汽离心压气机的模化派生设计方法。结合海水淡化蒸馏装置中使用的单级蒸汽离心压气机研制的具体设计要求,用空气压气机母型模化设计过程中遇到的一些技术问题,应用相似理论和国内、外有关的实验研究结果进行相应的分析研究。力图得出某些能指导单级蒸汽离心压气机设计研制的有益结论。由于压缩式热泵用途广泛,对压缩式热泵的开发在我国刚刚起步。蒸汽离心压气机又是热泵技术中的关键。因而对模化设计方法作深入的分析研究有切实意义。     

压气机模化中叶顶间隙对气动性能影响的数值研究

为了研究压气机相似模化过程中叶顶间隙对性能的影响规律,以某燃机压气机前1.5级为对象,采用数值模拟方法,研究了不同缩尺比例压气机的性能变化规律及机理。结果表明:缩尺模化时若保持叶顶间隙尺寸不变,则压气机模型机性能会下降,导致换算的原型机峰值多变效率下降约1.4%～3.38%,压比下降约0.88%～3.17%;叶顶间隙对流场相似性影响主要集中在叶片顶部流道区域,造成该区域流动不满足相似条件。分析流场发现,随着缩尺模化比例增加,叶顶间隙相对泄漏流量增加,叶顶流道内低速区范围扩大,泄漏涡在径向的影响范围和强度也增加,这是导致缩尺模化后流动堵塞程度加重、性能下降的主要原因,增加缩尺模化比例还会加剧叶顶泄漏流对激波的削弱。     

高负荷轴流压气机喘振时叶片动应力

对某高负荷十级轴流压气机喘振过程中叶片的动应力变化开展了试验研究,结果表明喘振时叶片出口脉动静压首先突增,0.1秒后叶片动应变增长至最高值,叶片第二阶动应力已超过疲劳极限,使叶片产生了高周疲劳损伤,出口脉动静压存在与叶片第二阶频率及叶片通过频率相关的后行波/前行波分量,但没有集中出现在某一固定节径下;对叶片开展了颤振数值模拟,结果表明叶片前三阶的积累功小于零,对数衰减率大于零,未发生颤振;通过增加叶片厚度提高叶片频率来提升叶片抗振能力,叶片根部相对最大厚度从0.076增加至0.089,叶片一弯频率对应的共振转速提高了15.2%;试验表明在75%换算转速进喘时,叶片相对应变降低了18%,本文提高叶片频率的方法很好地解决了工程中出现的转子叶片进喘时动应力突增的问题。     

相似理论及模化设计

本文较详细地叙述了相似原理,以及用相似理论进行不同参量系列产品的设计,并以实例按方程分析法及量纲分析法,导出了相似准则和相似指标,阐明了具体作法和模化设计的步骤及一些应考虑的因素.     

轴流压气机串列静子叶片弯掠设计优化

为了提高轴流压气机的串列静子在不同工况下的静压比与总压恢复系数,采用高自由度的复合弯掠三维叶片造型设计方法,对其前后排叶片进行协同双目标优化设计。设计优化研究表明：弯掠优化设计显著抑制了正攻角工况下串列静子叶片流道内的气流分离,缓解了负攻角工况下串列静子叶片缝隙通道内的气流堵塞。最后优化的弯掠叶型在正和负攻角工况下,静压比分别提升了0.99%和0.71%,总压恢复系数分别提升了0.89%和0.72%。     

轴流压气机可调静子叶片间隙泄漏流数值研究

为了探究轴流压气机前面级可调静子叶片部分间隙泄漏流对压气机性能和流场的影响,通过数值方法模拟某轴流压气机带有可调静子叶片的前面级1.5级流场,并详细分析了部分间隙泄漏流特征。数值仿真结果表明,相较带容腔原型算例,部分间隙使得压气机特性线往左下方偏移,设计点效率降低0.12%,近失速点效率降低1.83%,但喘振裕度提升6.4%;可见受到部分间隙泄漏流影响,静子叶片根部出口气流角明显增加;部分间隙泄漏流可以给吸力面根部角区低能流体充能,降低设计点端壁处的损失,降低近失速点吸力面分离涡的强度,提升喘振裕度;根部部分间隙造成叶片根部做功能力降低,但影响范围控制在5%叶高以内;部分间隙造成静子根部流场发生改变,使得设计工况点静子根部产生一条附着线,并形成闭式分离。     

多级轴流压气机末级串列静子三维优化设计与分析

为充分挖掘串列叶片对压气机扩稳增效的潜能,在对多级轴流压气机末级静子串列改型的基础上,选取不同叶高处前后排叶片相对位置、负载分配、弯掠特征及端壁轮廓等25个参数为设计变量,开展某工业用6.5级轴流压气机末级串列静子叶片与端壁的一体化优化设计研究,并采用随机森林方法对串列叶片几何参数进行特征重要性分析,提炼出串列参数设计指导。结果表明：优化后压气机末级在设计工况、近喘工况和近堵工况下的绝热效率分别提升4.81%、3.37%和8.195%;对于末级串列静子,最优串列参数随叶高变化而变化;调整前后叶片的弦长比与弯角比以实现串列叶片负荷前加载、调整叶片后掠与反弯以降低叶片端壁处负荷、设置叶中部分更大的周向交错度使缝隙区流体充分加速,均能有效降低末级串列叶片流动损失;串列叶片缝隙区尺寸,尤其是周向交错度,较其他参数对串列叶片性能的影响更为显著。研究成果应对压气机三维串列叶片设计具有参考价值。     

考虑加工公差的叶片对压气机气动性能的影响

为了量化轴流压气机叶片几何多种类加工公差对气动性能的综合影响,采用多种类几何加工公差的叶片三维模型构造方法,在设计点工况下,对压气机级样本进行三维计算流体力学数值模拟,并对样本叶片计算结果进行不确定性量化和敏感性分析.选择效率最高和最低的两个典型叶片几何误差案例,研究几何误差对出口流场的影响.结果表明:当压气机级处于设计工作状态时,全部位置度、扭转度和轮廓度公差范围内的叶片几何加工误差对样本叶片的质量流量、总压比、等熵效率、轴向推力和转矩等气动性能参数的平均影响可以忽略;转子叶片转矩的相对变化最大范围为-2.90%～2.30%.压气机级的质量流量和总压比对转子叶片各截面的扭转度公差敏感性最强,等熵效率则由转子叶片叶中截面扭转度、轴向位置度以及叶根截面的轴、周向位置度决定.几何误差的综合作用导致两案例转子叶片的等熵效率较原型的最大相对误差分别为+0.31%和-0.46%.转子叶片出口截面的径向相对总压损失和出口熵云图分布显示,典型几何误差对叶片通道内气流的流通和增压能力均有影响.     

复杂载荷下轴流压气机叶片疲劳损伤数值研究

为提高叶片的服役寿命,针对压气机叶片疲劳损伤进行了数值研究。在获取叶片表面气动压力及强度分布的基础上,结合非线性连续损伤力学模型,得到叶片多级加载损伤累积方程,提出了开展结构寿命预测和损伤评估的数值计算方法。对轴流压气机叶片在典型工况转速下受离心、气动复杂载荷作用下的应力分布规律和疲劳损伤行为进行了分析。计算结果表明:叶片排气侧4%叶高处有明显的应力集中,容易发生疲劳失效;在叶片疲劳加载过程中,损伤累积速率逐渐增大,加载周期的末期易发生瞬时断裂;考虑载荷顺序对损伤累积行为的影响,和Miner线性损伤模型相比,多级加载损伤模型体现了损伤演化过程的非线性,计算结果更为准确。     

轮廓度与扭转角偏差对压气机气动性能的影响

压气机叶片实际加工过程中,会出现叶片轮廓度、扭转角等加工超差,对压气机气动性能产生影响。采用S1流面计算和三维数值计算的方法分别研究了轮廓度及扭转角偏差对亚音速压气机气动性能的影响,计算结果表明:轮廓度增大,叶型最小损失值增大;堵点流量逐渐降低,轮廓度为0. 08 mm时,堵点流量减小了1%;峰值效率逐渐降低,但降低幅度较小。扭转角偏差对性能的影响来自于前缘偏转对进口喉道面积与尾缘偏转对叶片出口气流角的改变;扭转角偏差对叶型最小损失值影响不大,±0. 35°扭转角偏差范围对叶片的低损失攻角范围影响较小;扭转角向前缘打开方向增大,流量-压比特性线向右上方平移;扭转角向前缘关闭方向增大,流量-压比特性线向左下方平移;扭转角偏差0. 35°,最大流量减小了0. 67%;扭转角偏差对峰值效率点的影响微弱。     

变厚度叶片对离心压缩机结构强度和性能影响

以国内某大流量离心式压缩机首级叶轮为研究对象,采用数值模拟方法研究了变厚度叶片对离心压缩机结构强度和性能的影响.应用CAD软件Solidworks对9种变厚度叶片的闭式叶轮进行三维实体造型,运用有限元软件ANSYS进行静态应力分析,并利用计算流体动力学软件CFX进行叶轮内部流场分析.重点比较分析了叶轮最大von Mis...     

一种涡旋压缩机轴向随变机构的设计

为了实现涡旋压缩机的轴向补偿,平衡轴向气体力,在原有动涡旋盘实现轴向补偿的基础上提出静涡旋盘的轴向随变结构.即在静涡旋盘上开设背压孔,在密封组件和静涡旋盘镶嵌处形成背压腔,通过可移动的密封组件来实现轴向补偿.此结构在产品样机中得到了实验验证,能够起到轴向补偿、平衡气体力及防止过载的作用.     

叶片开槽对轴流泵空化性能的影响

为探究开槽叶片对轴流泵空化性能的影响,以350ZQ-70-H型潜水轴流泵为研究对象,对其不同空化余量下的流场进行定常和非定常数值模拟,对比分析原模型与改进后模型的速度矢量分布、压力分布、内部空泡体积分数及空泡体积变化等.结果表明：开槽叶片可以改善轴流泵的效率和扬程,提升轴流泵性能;开槽叶片增大了叶片进口处流动面积,降低了叶片进口处流速,使得轴流泵叶轮内压力的分布得到改善,从而对空化产生抑制作用;在空化的各个阶段里,开槽模型的空泡体积分数分布均有所降低,其中空化初始阶段最为明显,相比原模型下降了30.4%,有效抑制了空化的发展,空化性能明显提升.     

后掠叶片对轴流泵抗汽蚀性能的影响

研究后掠叶片对轴流泵抗汽蚀性能的影响，采用标准K-ε紊流模型和SIMPLE算法，用FLUENT软件对7台轴流泵内部流场进行数值计算，得到了每台泵的气体体积和效率，通过对比分析表明，随着后掠角的增大，泵的气体体积和效率都减少，所以采用后掠叶片提高泵的抗汽蚀能力时后掠角不宜过大。     

后弯叶片对轴流泵空化性能的影响

针对空化现象对机械性能所产生的影响，用FLUENT软件对后弯叶片轴流泵内部流场进行三维数值计算。通过三个后弯叶片方案与直叶片方案的对比分析，可以看出，后弯叶片有效地改变了轴流泵内部气体的分布，叶片吸力面的完全空化面积明显减少，从而在一定程度上抑制了气泡对泵的破坏作用。     

动叶可调轴流通风机叶片安装及调整工艺研究

本文详细研究了动叶可调轴流通风机叶片安装及调整施工工艺,在保证叶片安装精度的要求下适度简化了动叶可调轴流通风机的叶片安装调整工艺,并以小结的方式归纳了动叶可调轴流通风机叶片安装及调整施工过程中切实符合安装现场的施工要点。     

叶片轴向倾斜的螺旋滚筒装煤机理和能力

在分析普通螺旋滚筒结构的基础上,针对一种螺旋叶片向排煤口侧轴向倾斜一个角度的新型滚筒,给出螺旋叶片轴向倾斜角度的理论值.研究了滚筒的装煤能力,在评价滚筒装煤能力的方法中,提出了抛煤流量矩、滚筒容煤量比和推煤力等新概念,用抛煤流量矩的大小和叶片轴向倾斜的推煤力及其方向等来综合衡量滚筒的装煤能力和性能,为滚筒设计提供了理论基础.     

微型轴流风扇扭叶片设计及其气动分析

通过推导微型轴流风扇叶片出口轴向速度沿叶高的分布方程,提出了一种考虑轴向速度非均匀性的扭叶片设计方法.通过计算流体动力学(CFD)技术,对利用该方法所设计的各种形式扭叶片的气动性能及其变工况时的气动特点进行了数值研究,并比较了工作于自模区与非自模区风扇的气动性能差异.研究结果表明,与自模区的风扇相比,非自模区的风扇压力曲线没有最高压力点,随流量减少压力几乎呈线性增加,且无失速点;效率曲线则显得更为平坦;按刚性涡设计的扭叶片虽效率低,但风压高;提高叶轮的轮毂比有助于提升风扇压力与效率.