离心式压气机的叶轮结构与气流特性

分析讨论了离心式压气机叶轮叶片结构形状,对叶轮气道内和压气机壳中气流特性的影响,并提出改进叶片形状结构,使气道向流线型靠近,以提高离心式压气机的性能。     

机匣引气再循环拓宽压气机工作范围的仿真研究

高压比离心式压气机高效率工作范围窄,喘振裕度低。为了拓宽其高效工作范围,将机匣引气再循环技术应用于高压比离心式压气机。采用数值模拟方法对其进行仿真研究,对各结构尺寸对压气机性能的影响进行对比。结果表明,引气再循环系统使该离心压气机各转速下稳定工作范围平均拓宽13%以上,喘振裕度最大增加11%。抽吸槽与分流叶片的距离在引气再循环结构尺寸中对离心压气机性能影响最大,其次是抽吸槽的宽度,其余结构尺寸对其影响较小。引气再循环使压气机叶轮入口相对马赫数分布更加均匀,减弱叶片前缘局部高马赫数的现象,使叶片入口正攻角减小,抑制了叶片表面边界层的分离。     

端壁翼刀在跨音速压气机环形叶栅中的应用

为研究端壁翼刀对跨音速压气机环型叶栅特性及二次流的影响,采用三维定常N-S方程及Realizablek-ε湍流模型,在跨音速下对可控扩散叶型的压气机环形叶栅进行加装不同周向位置和不同高度端壁翼刀情况下叶栅流场的数值模拟.结果表明:合理选择翼刀安装位置、高度,可有效控制压气机叶栅的二次流,降低叶栅的总损失.加装在距叶片压力面50%节距处、高度为3.3 mm的翼刀设置方式为最佳翼刀设置方式.     

某型燃气发生器高压压气机叶片断裂故障分析

该文通过对某型燃气发生器高压压气机叶片断裂故障及改进机型进行的对比分析认为:燃气发生器主支承及辅助支撑位置设计不合理会导致振值超标,是某型燃气发生器产生高压压气机叶片断裂故障的主要原因(设计要求:高压压气机叶片振值波峰值为20 mm/s,而故障机实际振值波峰值≥40 mm/s).通过对故障机的分解、检查和故障分析,制定了有效的质量改进措施.并通过故障机与改进机试验参数、结构的统计分析、对比和验证,某型燃气轮机高压压气机叶片断裂故障得到了根本的解决.     

叶片弯曲程度对离心压气机性能的影响

采用离心压气机计算机辅助集成设计系统设计直叶片、正弯叶片和反弯叶片3种离心压气机叶轮.对具有不同弯曲程度的叶轮内部流场进行三维粘性计算,给出了不同弯曲程度的计算结果,比较了进口中间叶高处具有1.5 mm正弯和反弯叶形叶片压力面和吸力面上的熵分布.计算结果表明,进口正弯叶轮绝热效率略高于进口反弯叶轮的绝热效率;出口正弯和出口反弯叶轮绝热效率基本相同;叶形弯曲对小型离心压气机叶轮效率影响很小.     

轴流压气机低速模化设计的叶片造型

为了提高航空发动机高压压气机的气动性能,需要对高速压气机进行低速模化设计以开展试验研究.选取高压压气机后面级作为研究对象,给出了高压压气机低速模化设计的相似准则和模化设计流程,为低速模化设计提供了可以借鉴的准则.针对高速原型压气机设计工况点,制定模化设计目标,完成几何变换、通流设计、叶片造型及数值模拟.重点研究了叶片造型模化相似技术,在叶片造型设计上突破了几何相似的限制,通过三维积叠造型的设计方法保证了高低速压气机气动参数的相似性.研究为轴流压气机低速模化设计的叶片造型提供了可以借鉴的方法.     

高负荷离心压气机扩压器叶片前缘开槽参数化研究

针对离心压气机在近失速工况点运行时,扩压器进口气流角为正攻角,造成其吸力面发生流动分离,从而导致压气机发生失速甚至喘振等问题,为进一步扩大离心压气机的稳定工作范围,需对扩压器近失速工况点的流动分离进行抑制。以某高负荷离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟方法开展了扩压器叶片前缘开槽的参数化研究,详细探讨了开槽长度、深度对离心压气机性能、稳定裕度的影响规律,归纳总结了离心压气机扩压器的最佳开槽参数。研究结果表明:随着开槽深度、长度的增加,失速裕度有所提高但压气机性能有所下降;实际设计中开槽深度不应超过叶片高度的9%,最佳开槽长度不应超过叶片弦长的6%～12%;当扩压器开槽深度为叶片高度的3%、开槽长度为叶片弦长的6%～12%时,压气机性能最佳。扩压器开槽可有效抑制其通道内的流动分离,并提高压气机的失速裕度。     

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.     

压气机性能对粗糙度的敏感性的分析

当沉积物粘附在叶片表面后,将会使得压气机叶片表面的粗糙度增大,导致气流通道的流通能力降低,这将会使压气机的增压比、效率降低.分别对不同粗糙度以及不同转速下的压气机性能进行仿真,结果表明：压气机在不同粗糙度和不同转速下,效率对粗糙度的变化最敏感,对估计压气机叶片表面粗糙度的确定具有指导意义.     

蜗壳通道面积对离心压气机性能的影响

为了探索离心压气机蜗壳通道面积对低比速离心压气机性能及内部流动畸变的影响规律,文章建立了某离心压气机三维仿真模型,对具有5种不同通道面积蜗壳的离心压气机进行了流动仿真.结果表明,蜗壳通道面积的变化导致了压气机整体性能的改变,并影响了其内部流场畸变.压气机的近堵塞点在蜗壳通道面积较小时流场畸变增大,部分叶轮通道出现超声速...     

多级轴流压气机末级静子叶片串列改型方法及流动机理研究

针对多级轴流压气机末级静子叶片转折角大、角区分离严重、流动损失显著的问题,以某工业用6.5级轴流压气机末级静子为主要研究对象,提出了一种三维串列叶片几何参数化建模方法,能够实现对串列参数沿叶高分布规律、叶片弯掠等三维特征的灵活控制,以支持单列叶片向串列叶片的改型设计,并结合数值计算方法,开展了末级串列静子改型设计对压气机气动性能及内部流场的影响研究。结果表明：对6.5级轴流压气机,末级静子叶片由单列改为串列后,6.5级压气机设计工况绝热效率提高了0.965%,稳定工况范围有所拓宽;串列叶片缝隙区射流的流动局部加速作用能够抑制角区分离的周向和径向发展;相比机匣附近,轮毂附近串列参数的变化对压气机气动性能的影响更为显著,且周向交错度较轴向重叠度的影响更大。研究成果对多级环境下压气机三维串列叶片设计具有参考价值。     

某航空发动机压气机叶-盘耦合振动分析

基于循环对称结构模态分析基本理论,建立并验证压气机叶-盘结构耦合振动特性分析方法和流程。在能够线性求解的前提下,考虑叶-盘间实际连接情况,不忽略叶片榫头与轮盘榫槽间应力状态对振动特性的影响。选取某民航发动机高压压气机第三级叶-盘结构为分析对象,提取结构特征参数,在ANSYS软件中建立起叶-盘结构的三维有限元模型,并进行耦合振动仿真分析。首先计算该叶-盘结构在不旋转工况下的频率和振型,然后计算其在常用转速工况下存在预应力时的频率和振型,分析得到离心载荷对频率和振型的影响规律。最后分析其行波振动特性,计算3节径1,3,5阶行波节径振动频率。考虑外缘叶片受到周期性气体力对叶-盘的激振影响,画出共振特性曲线,为后续结构分析和排故提供依据,同时也为压气机叶-盘结构的振动特性分析提供了便于工程应用的方法。     

吸力面翼刀高度对压气机环形叶栅流场的影响

为研究不同高度的吸力面翼刀对压气机环形叶栅流场结构及性能的影响,采用三维定常N-S方程和Realizablek-ε湍流模型,对CDA环形叶栅和同一叶展位置安装的4种不同高度吸力面翼刀的叶栅三维黏性流场进行数值模拟.结果表明:加装吸力面翼刀后,各方案叶栅端壁附近周向压力梯度减小,二次流动得到有效控制.各翼刀方案的叶展中部流动状况均较原型叶栅改善,分离线高度均显著降低.叶栅能量损失系数随吸力面翼刀高度的增加先减小后增大,在计算范围内,吸力面翼刀高度为3.3 mm的方案可较好控制环形叶栅内的二次流动.     

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.     

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...     

多级跨声速轴流压气机几何参数化造型方法及增压特性分析

为发展高性能多级跨声速压气机先进设计体系，提出了压气机多圆弧叶型、多圆弧厚度分布叶型及修正NACA 6-系列叶型造型方法，利用NASA/GE研发的高效节能发动机E³高压压气机前6.5级的准三维设计数据，建立了相应的压气机三维几何参数化模型，并通过数值模拟研究了造型压气机在多个转速下的内部流动及增压特性。结果表明：在100%设计转速近最高效率点处，造型压气机的质量流量与设计目标及与原型压气机试验结果的误差分别为0.4%和0.6%,绝热效率的误差分别为1.9%和0.9%;造型压气机模拟及原型压气机试验所得总压比均低于设计目标；前排跨声转子叶片气动负荷过大导致激波脱体严重是压气机的主要设计不足，改善叶片气动负荷分布、缓解叶片溢流是提升压气机气动性能尤其是设计点总压比的有效方法。研究成果对开展多级跨声速压气机设计优化具有参考价值。     

车削过程的三维有限元数值模拟

根据三维有限元法,提出车削过程弹塑性大变形的热-力耦合模型,并模拟了超细晶WC硬质合金车刀对AISI-1045碳钢的车削.车削工艺参数为:前角-5°、车削速度1×103mm/s、车削深度1.0mm、车削宽度3.0mm、进给量0.5mm/s.通过车削温度场与应力场的三维有限元模拟,分别得到刀-屑接触区最高温度、车削力与进给力相对车削位移的变化规律.由模拟结果发现,通过改善车刀结构,刀-屑接触区平均温度峰值由430℃下降为365℃;车削力平均值由1500N降至1400N.结果表明,三维有限元模拟可有效地仿真实际车削工艺环境,为优化车削工艺提供参考.     

某发动机静子叶片疲劳极限试验研究

通过对某航空发动机压气机静子叶片进行疲劳极限试验,得出叶片一阶固有频率、应力沿叶高分布最大点位置、计算出应力与振幅的关系,并对其进行疲劳极限试验。通过试验,促进叶片结构和工艺的优化,为静子叶片安全装机提供重要试验数据。     

基于数值模拟的混流式血泵结构改进

轴流式血泵转速过高、离心式血泵易产生流动死区是造成血液损伤的重要原因,而混流式血泵能有效缓解转速过高及流动死区问题。基于此,采用计算流体力学方法对闭式叶轮混流式血泵进行了三维流场仿真,分别探究了不同叶片数和叶片厚度的混流式血泵的性能,分析了血泵流场特性及压力分布情况;基于溶血幂函数模型,通过拉格朗日粒子追踪法进行血泵的溶血性能预测,得到水力性能与溶血性能良好的血泵结构参数。结果表明,当叶片数为5、叶片厚度为0.8 mm时,扬程更接近预期设计目标,能够满足血泵供压需求;溶血指数比原模型降低14.65%,有效降低溶血程度;内部流场均匀稳定,未出现回流、流动死区问题,有效防止血栓产生;叶片进口处低压区域减少,有效缓解空化现象产生。研究结果可为闭式叶轮混流式血泵的结构改进及性能改善提供依据。     

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.