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。     

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%。     

叶片非均布对离心压气机气动性能及流动频谱特性的影响

运用数值方法,对采用不同叶片非均匀布置方案的离心压气机气动性能进行了分析,研究了叶片布置对压气机性能的影响.在此基础上,对压气机内部非定常流动进行了数值模拟.结合FFT方法对压气机无叶扩压器典型位置的压力脉动进行了频域特性分析,研究了不同叶片布置方案对无叶扩压器内的频谱与气动噪声的影响.结果表明,采用合理的叶片非均布式布置方案,可以在保持压气机性能不发生变化的情况下,有效降低离心压气机内部的压力脉动,从而起到抑制气动噪声的作用.     

叶片扩压器安装角对高负荷离心压气机流动及性能的影响

本文以某高负荷离心压气机为研究对象,运用三维粘性数值模拟方法考察了不同叶片扩压器进口安装角对离心压气机流动及性能的影响。分析结果显示,叶片扩压器进口安装角对离心压气机流动及性能影响很大,过小的安装角会造成流道堵塞,产生拉瓦尔喷管效应,使整级效率急剧降低。叶片扩压器在合适的安装角范围内,随着进口安装角的增大,压气机等熵效率变大,总压比升高,但工作裕度却逐渐减小。由此可知,叶片扩压器具体安装角的确定要根据效率、压比和工作裕度的综合考虑所定。     

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%。     

带叶片扩压器离心压缩机模型级内流研究

通过对在研工业用带翼型叶片扩压器离心压缩机模型级的内部流动进行数值模拟,以及对模型级外特性进行了实验研究,分析了模型级内部流动特点、损失机理及其对级性能的影响。研究发现:该离心压缩机模型级性能较好,工况范围内效率曲线非常平坦,稳定运行范围较宽,整级效率高达82%;设计流量下叶轮出口轮盖与叶片吸力面的角区有明显的尾迹区存在,小流量下进入叶片扩压器内的气流在叶腹的流动没有得到有效滞止,大流量下气流以冲击叶片扩压器叶腹为主,同时在叶背上出现了较大的旋涡区;不同工况下叶片扩压器内的流动损失和扩压效果由不同工况下的流动特性决定。数值模拟和实验研究获得的模型级外特性曲线一致,表明所采用的数值模型能够准确预测模型级内部的流动特性。     

非设计工况下叶片扩压器与离心叶轮间非定常流动的二维数值模拟

以一实验用离心压气机内叶片扩压器与叶轮间耦合流动为研究对象，采用动静部件统一的计算方法，对叶片扩压器与离心叶轮间二维流场在非设计工况下的非定常流动进行了数值模拟，并与无叶扩压器与离心叶轮间定常流场进行比较．与测量结果比较表明，本文的计算结果具有一定的可信度，并由此说明了非设计工况下，动静部件干涉对流动的影响．     

三级有机工质离心透平气动性能研究

以有机工质R123为工质,基于一维气动分析理论,设计了三级离心透平,并采用数值模拟方法研究了不同工况下的透平气动性能.结果表明:设计工况下,三级等叶高直叶片离心透平轮周效率可达到86.7%;在变工况条件下,离心透平轮周效率随着膨胀比的增大先增大后减小,离心透平各级的膨胀比、焓降和反动度等热力参数随着级组膨胀比的变化从高压级到低压逐级增大,最末级变化最大.     

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。     

DL125-9离心压缩机扩压器性能分析与改进

DL125-9离心压缩机是新型的H型压缩机.试验结果表明,其性能与设计要求有偏差,压比偏低,变工况性能差.为了改善其空气动力性能,本研究对影响压缩机性能较大的扩压器进行了试验研究和分析,通过对四种不同几何参数的方案进行比较,确定了工作范围宽、级效率和压比较高的VD-3扩压器为较好的几何参数匹配.压力恢复比原设计VD-1增大34%,级效率提高3～4％.     

环形混合器混合排气系统气动形面的优化设计

以B样条曲线为基础、采用计算流体力学方法,并结合改进的粒子群优化算法,提出了一套环形混合排气系统喷管型线与环形混合器径向位置的一体化优化设计方法,并采用该方法对某型使用中的环形混合器混合排气系统进行了优化设计.优化结果表明,较之原始模型,优化后的环形混合器混合排气系统在流量分配方面与设计值更为接近,涵道比的误差为2.8%.气动性能方面,设计条件下,优化模型推力为原始模型的1.061倍,总压恢复系数则提升至0.995;在非设计条件下,优化模型的总压恢复系数较原始模型提高了0.7%和0.4%,推力较原始模型提高了1.2%和2.7%.     

旋转叶轮和叶片扩压器耦合的非定常流动计算

应用STAR-CD流动分析软件和PISO算法,采用滑移网格和多重旋转坐标系技术,全流场计算了旋转叶轮和叶片扩压器耦合的非定常流动.获得了不同时间周期的速度和压力分布,预示了叶轮和叶片扩压器相互干涉的重要流动特征.通过计算发现了以往采用单流道计算所不能发现的流动现象:由于蜗壳的存在,使得每一个流道内的速度和压力分布是非对称的,并随时间的变化而变化.因此,在叶轮机械设计中,要全面和整体地考虑叶轮、扩压器和蜗壳之间的相互关联和耦合及相互间的影响与反影响,不能孤立地分别研究.     

无叶扩压器优化设计方法

本文通过对径流式压气机无叶扩压器中气体一元可压缩流动的分析与研究,求解以损失模型为目标泛函和气体运动所满足的微分方程组为约束条件的最优化控制命题,使目标泛函达到极小。通过分析无叶扩压器出口半径对等熵效率的影响,在给定出口半径的变化范围内进一步选择最优出口半径,使扩压器在最优出口半径时,损失最小且等熵效率达到最高。文中还分析了各几何参数对无叶扩压器效率的影响,从而提出旋转扩压器的设想及理论依据。     

跨音速透平扭叶片的气动优化设计研究

以并行自适应差分进化算法为核心，耦合曲面造型方法以及计算流体动力学求解技术，发展了一种适用于叶轮机械三维气动优化设计的全局自动气动优化算法．利用该算法，以等熵效率最高为目标，在满足流量约束的条件下对跨音速扭叶片进行了气动优化设计．对优化结果的详细分析表明，最优叶栅的等熵效率比原始叶栅提高了1．1％，气动性能有显著的改善，算法具有良好的优化性能．在跨音速条件下，载荷分布对叶栅的气动性能有着巨大的影响，采用前加载设计可有效地减弱斜激波的强度，减少激波损失，提高流动效率．因此，通过优化叶栅型线来改变叶栅的载荷分布可有效地提高叶栅的气动性能。     

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.     

斜流式泵喷水推进器内部流动不稳定性分析

为了揭示斜流式泵喷水推进器的内部流动规律,利用多重参考系法,选用标准k-ε湍流模型和SIM-PLE算法,对不同工况下斜流式泵喷水推进器进行了数值模拟,分析了泵内部流动与其不稳定性之间的关系及叶轮叶片表面的压力分布规律.结果表明：扬程系数ψ与Q/Qbep曲线在流量为0.65Qbep～0.67Qbep工况下出现了正斜率（Q为工况点流量,Qbep为最佳设计工况点流量）,主要原因是导叶进口轮毂处的回流撞击叶轮出口流动,使其产生流动分离,最终形成旋涡,导致内部流动不稳定,从而使压力上升;在流量为0.65Qbep和0.85Qbep工况下,导叶内均出现回流,回流区域及回流速度随流量减小而增大.模拟分析说明斜流式泵喷水推进器在小流量工况下运行具有不稳定性.