某小流量三级轴流压气机的气动性能及数值分析

以某三级跨音速轴流压气机为研究对象,采用三维数值模拟计算方法对其在设计转速下进行了数值模拟,得到了压气机的特性曲线及总体性能。通过改变出口静压,得到了其在设计转速下的近设计点、近最高效率点、近失速点、近堵塞点并分析了压气机在典型工况下的内部流动特性。研究分析表明:近设计点、近最高效率点的流动情况较好,但效率较低。动叶前缘与叶片流道内的激波、转静子吸力面尾缘处的低能团、叶顶间隙的泄露流引发压气机的气动性能降低,进而造成压气机效率较低、流动损失加大。     

对转压气机三维掠动叶优化设计

为探索三维掠动叶降低对转压气机二次流损失的潜力,进一步提高对转压气机气动性能,基于近似函数与遗传算法,针对某对转压气机双排转子在整机环境下进行三维掠动叶优化设计,并对优化前后流场进行对比分析。优化成功的得到了双排“S”形掠动叶,结果表明:三维掠动叶有效改善了双排动叶吸力面径向二次流,减小了吸力面低速区,提高了对转压气机性能,优化工况点整机效率提高0.6%,全工况范围内效率均有所提高；三维掠动叶提高对转压气机效率的根本原因是其对径向负荷分配的重新调整,将叶展下方流动较差区域负荷移至叶展上方,改善流场的同时保证对转压气机负荷不变。      

1.5MW紧凑式单轴多级离心压气机设计

利用自主开发的离心压气机气动设计程序,遵循效率最优和尺寸最小化原则,研发了一款1.5 MW、总压比为12的紧凑式单轴多级离心压气机。该多级离心压气机由单轴驱动10级闭式离心压气机,其中前后5级离心压气机采用"背靠背"结构布置相互抵消部分轴向力。通过全三维数值模拟整体评估了该多级离心压气机的性能,结果表明:设计工况下,10级离心压气机的总压比为12.24,绝热效率为75.4%,内部流动状况良好;设计转速下,失速裕度为8.6%,堵塞裕度为33%。各项性能指标表明所研发的多级离心压气机性能满足设计要求。     

动叶局部弯曲对压气机流场和性能的影响

以NASA Rotor67跨音速压气机转子为研究对象,研究动叶局部弯曲对跨音速压气机转子流场和性能的影响,数值结果表明,动叶局部的正弯和反弯均能改善不同工况点下压气机性能,但正弯效果更好;在近最高效率点工况下,正弯有利于提高压气机等熵效率,反弯能缩小流动分离区,改善流场性能。     

叶片倾角对燃料电池低比转速离心压气机性能的影响研究

建立了某燃料电池汽车专用低比转速离心压气机三维仿真模型,研究其叶轮叶片倾角对于压气机整体性能的影响作用与流动机理。研究结果表明：在设计工况点附近叶片倾角0°与20°时相比压气机压比、效率无明显变化,大流量下叶片倾角20°效率、压比均有所降低。低转速时叶片倾角改变对于压气机功率影响作用较小,但当转速提升至60 000 r/min后,20°倾角相对0°倾角压气机整体功率下降了约2%。     

变流量工况下小型离心压气机多目标优化设计

为提高离心压气机变流量工况下的性能,基于三维流场分析研究了离心压气机叶片几何参数对其变工况气动性能的影响规律;基于相关性分析建立了降阶的优化设 计变量空间,采用拉丁超立方试验设计、Kriging模型和NSGA-Ⅱ算法进行了离心压气机叶轮变流量工况多目标优化。优化后,叶轮设计流量的压比提高6.43%,效率提高3.99%;小流量时压比提高5.62%,效率提高3.52%;内部流动损失减少,喘振流量减小2.7%,阻塞流量增加6.85%,稳定工作范围得到扩宽。     

雷诺数对跨音速压气机转子性能的影响

为了研究雷诺数对跨音速压气机转子性能的影响,基于NUMECA流场仿真软件对NASA设计压缩机进口级转子37进行气动研究。对比分析了不同进气压力下,Rotor37总体气动性能和内部流动细节。不同入口压力对应不同雷诺数。结果表明,在满足几何不变,压比不变,转速不变,入口总温不变的条件下,雷诺数进入自模化区后,基本可以忽视雷诺数对压气机转子气动性能的影响。在不考虑叶片粗糙度的情况下,雷诺数为设计雷诺数47倍时,绝热效率-流量特性曲线总体效率升高,最大绝热效率升高1.4%;压比-流量特性曲线向压比更高,折合流量更大偏移,最大压比几乎不变;当压力升高雷诺数升高后,压气机转子稳定运行区间宽度基本不变。     

高压比大推力离心压气机流场分析

基于CFD设计了一款转速60000 r/min、压比7、流量1.5 kg/s的大推力压气机,采用spalart-allmaras湍流模型和Navier-Stokes方程组对压气机叶轮内的气体流动及其工作范围进行了数值模拟,分析了60000 r/min转速时最高效率点附近的相对马赫数和流线云图,开展了非设计转速下的流场分析,计算了不同转速下的工况,研究了设计转速下叶轮入口处激波和射流尾迹的流动情况。研究结果表明：设计工况条件下,等熵效率为84.25%,压比为8.167;转速从48000 r/min到54000 r/min时,等熵效率提高,流场改善,气动损失减小;压气机转速从60000 r/min增加到72000 r/min时,压气机等熵效率、气动损失减小、稳定工作范围收窄;高压叶轮的主要气动损失为叶片表面的激波损失、叶尖间隙损失、二次流损失及吸力面尾缘的低能流体。     

叶顶间隙变化对压气机性能影响的研究

叶顶间隙变化会对压气机性能产生影响。本文应用NUMECA软件建立了1.5级轴流压气机模型,模拟盐雾腐蚀导致压气机叶顶间隙增大,提出平间隙、斜间隙两种间隙变化方案,通过改变间隙、转速和出口背压实现变工况,计算得到不同工况下压气机的各项性能参数。分析间隙变化前后压气机的总体性能变化以及流场变化情况。总体性能里包括流量、效率、压比、轴向力、扭矩和喘振裕度等,流场中性能参数的分布包括相对速度、熵、相对总压损失系数、相对马赫数、静压等。通过本文较为详细的论述,得到间隙变化对压气机各项性能的影响规律。     

高速离心压气机变工况模拟及叶轮叶片优化研究

离心压气机作为增压器核心部件,对增压器性能有决定性影响。利用CFD模拟软件ANSYS-Fluent,以某型涡轮增压器核心部件—压气机为研究对象,进行了设计转速下的变工况数值模拟,得到了不同质量流量下离心压气机的内流场数据,通过与实验数据进行对比,验证了仿真模拟的正确性。在额定工况下,对后弯叶轮叶片出口段沿旋转方向不同倾斜角度进行比较分析,结果表明叶片出口段存在一个最优的倾斜角度使出口气流分布更为均匀,进一步提高后弯效果,提升压气机性能。     

低温氦气向心透平变工况特性研究

以低温氦气为流动工质,采用实际气体模型计算工质物性,进行低温氦气向心透平的气动设计与性能研究。运用数值模拟方法,对所设计的氦气透平膨胀机进行设计和非设计工况下的三维稳态流场分析。结果显示:在设计工况下,流道内的流场合理,气动性能符合设计要求;在变工况条件下,随着转速的增大,效率先增大后减小,在设计转速时最大。漩涡的出现会导致透平效率迅速下降。当转速一定时,随着膨胀比的增大,质量流量近似线性的增大,效率先增大后减小,在设计膨胀比时最大;转速的减小可使最大效率点对应的膨胀比减小;转速的变化对流量几乎没有影响;随着入口温度增大,质量流量逐渐降低,效率先增大后降低,在设计入口温度下最大。     

某型高压压气机低转速可调静叶角度优化试验研究

以某十级高压压气机为研究对象,开展了不同可调静叶角度下的压气机特性录取。基于试验测量获得的级间特性结果,着重对其中单级性能最为恶劣的级开展可调静叶角度优化,以改善压气机级间匹配。试验结果表明,采用优化的可调静叶调节角度后,该压气机低转速性能得到改善,效率和喘振裕度均有提升。     

Y4-73离心通风机叶轮的高比转速优化设计研究

为了提高Y4-73离心通风机在大流量工况运行时的气动性能,在原通风机蜗壳不变的基础上,优化设计了一种高比转速叶轮,结合试验和数值模拟对其气动性能进行分析并研究了3种不同叶型对该风机性能的影响。研究结果表明,与改进前相比,高比转速离心通风机最高效率点向大流量工况偏移,虽然风机最高效率点的效率较原风机降低了3%,但在实际应用的大流量设计工况下,效率提升了10%。在此工作点下,改进后的高比转速叶轮与原蜗壳匹配性更好,叶片负荷提高,在靠近蜗舌和叶轮前盘处的流态有较大改善。当风机叶片为板型时,在设计工况下效率较薄翼型风机提升了1%。板型叶轮叶道内的流动分离现象有所减弱,尾迹损失小,叶轮出口气流角较大,使得叶轮出口处有效通流面积增大,从而提升了叶轮的做功能力,同时减小了蜗壳内的流动损失。     

体积力模型在模拟轴流压气机进气畸变中的应用

该文推导了跨声速轴流式压气机的周向平均体积力模型，并在商用软件Ansys CFX上搭建了数值计算平台。该平台将代替叶片对流体作用力和做功量的周向体积力模型以源项的形式添加到Ansys CFX的三维控制方程中，发展形成了一种更加高速有效的压气机进气畸变数值计算方法。采用该计算方法进行NASA Stage 37单级跨声速压气机全流道模拟，计算了在70%设计转速、均匀进气工况下的压气机性能特性和流场分布，并与实验结果进行对比分析。结果表明，两者能很好地吻合一致，验证了计算方法的可行性和计算结果的准确性。在此基础上，采用该计算方法对该压气机在周向进气畸变条件下的性能和流场进行了预测，模拟结果也很好地反映了畸变来流对压气机特性的影响。     

干湿工况下波纹翅片管换热器空气侧特性的对比

对7个带亲水层和3个不带亲水层波纹翅片管换热器在析湿工况下空气侧的换热压降特性进行了试验研究,在不同的入口风速和入口相对湿度下比较了干湿工况下的空气侧特性。结果表明,对带亲水层的波纹翅片,析湿工况下的压降显著地高于干工况下的;当入口风速小于0.5 m/s时,湿工况下的换热性能低于干工况下的,当入口风速增加到2.0 m/s时,湿工况下的换热性能则强于干工况下的。析湿工况下带亲水层波纹翅片的换热性能比不带亲水层波纹翅片的偏低一些,但是表面涂上亲水层可以大大降低空气侧的压降。提出析湿工况下波纹翅片管换热器空气侧的换热和压降关联式,平均误差分别为8.70%和7.90%,可用于设计波纹翅片管换热器或者评价它的性能。     

进口轮毂比d=0.45的轴流式双级压气机试验研究

为了验证进口轮毂比d=0.45轴流式双级压气机气动性能和掌握压气机性能试验技术,本文进行了上述压气机的性能试验,测得了相对换算转速n(пр)＝0.546、0.766、0.876、1.00下压气机的特性,同时对低转速范围内压气机的喘振现象进行了观察。试验结果表明：试验所得增压比特性与理论计算十分接近,平均半径处速度三角形与设计的基本重合,只是试验的压气机效率,由于温度场的不均及用温升计算,相差较大。     

多级离心泵叶轮与流道式导叶的匹配特性

本文对多级离心泵设计了流道式导叶,采用Spalart-Allmaras湍流模型对设计结果进行数值模拟。通过对流道式导叶几何结构的调整,探讨了叶轮-导叶间隙、导叶进口方式及级间密封对离心泵流动性能的影响。经过分析得到了以下结论:导叶进口直径为叶轮出口直径的1.027倍时与叶轮匹配较好;导叶进口宽度的减小在小流量工况下存在优势;对导叶进口进行斜切处理可以有效消除密封通道对水泵造成的影响,同时提高了大流量工况下的水力性能,设计点效率提高0.65%,扬程提高1.30%,分析结果为离心泵流道式导叶与叶轮匹配设计提供理论指导。     

进口气流角对跨音速压气机气动性能的影响研究

以某燃气轮机1.5级跨音速压气机为研究对象,利用NUMECA软件计算了该压气机在不同进口可转导叶摆放角度情况下跨音速压气机的气动性能。研究结果表明:随着进口气流角的增大,流量-效率曲线和流量-压比曲线均向流量减小的方向平移,相同流量下,进口气流角增加,效率增大,但压比减小;在设计流量工况下,随着进口气流角的增大,来流相对马赫数减小,激波强度减弱,并向尾缘迁移,激波后附面层分离流动改善,压气机损失减小。     

无油润滑高速离心泵的变转速性能研究

转速调节是调整泵工况的重要手段,为了揭示变转速对高速离心泵的水力性能影响,本文以一台采用无油动压液体轴承支撑的高速离心泵为研究对象,采用试验方法与数值模拟,进行了不同转速下相似工况下的水力性能研究。论文通过所搭建闭式实验台上的水力测试得到了不同转速下的水力性能曲线,验证了该泵在变转速下良好的水力性能,最高效率可达35.52%。并结合ANSYS CFX软件对该泵水力部件进行了数值模拟研究,与试验结果的对比表明数值模拟能够有效对该泵的水力部件性能进行预测。论文还对该泵水力部件以设计工况为基准的不同转速下的比例相似工况进行了研究。     

离心压气机机匣处理多工况性能预测与分析

机匣处理作为一种高效、经济的扩稳技术,越来越多的被用以提高压气机的稳定工作裕度。为了研究机匣处理对离心压气机多工况性能的影响,本文对3种进气回流机匣结构的压气机模型和无机匣处理的实壁压气机模型分别进行了数值仿真分析。数值计算结果与最优模型的试验结果吻合较好,比较准确的预测了喘振边界的位置,验证了计算方法的可靠性。结果表明,只有结构合理的进气回流机匣处理才能在各个转速下均显著扩大压气机小流量的稳定工作范围,其中机匣处理的开槽位置和前置导流挡板对其性能有着重要影响。