大流量多级轴流压气机性能及流场分析

以某型17级大流量轴流压气机为研究对象,运用全三维黏性数值模拟的方法对设计点处性能和流场参数进行了研究.通过该压气机加功量、绝热效率、压比、反力度在各级的分布情况,分析了大流量多级轴流压气机的设计特点.在性能参数的分析中,发现第7级存在加功量、绝热效率、总压比偏低,反力度偏高的问题,通过三维流场分析,提出了改进建议.     

叶顶间隙对压气机性能的影响

对某多级轴流压气机的其中两级的内部流场进行了全三维的CFD数值模拟,模拟结果与设计的级间参数比较吻合.通过对0.5倍设计间隙、1倍设计间隙和2倍设计间隙3个不同间隙的模拟结果的比较,探讨了间隙的大小对多级压气机总体性能的影响;通过内部流场的详细分析,揭示了间隙泄漏损失的特征.     

多级轴流压气机全工况特性预测

使用三维粘性流动计算软件Fine／Numeca,研究了多级轴流压气机在设计工况及非设计工况的性能预估问题。对某七级轴流压气机进行了全工况特性数值计算。重点分析了低转速下近失速点、设计转速下近最高效率点、高转速下近堵塞点、进口导叶关小时设计转速下近失速点等四个典型工况点的流场特性。计算工作在自主开发的20节点集群计算机系统上进行。计算结果表明现有的软件和硬件平台能比较准确地预测压气机多叶片排的全工况特性。     

两级压气机数值模拟及性能分析

为了深入了解某多级轴流压气机的中间两级的内部流场及气动性能,为进一步的优化设计提供数据支持,利用商用软件Numeca对其进行了全三维数值模拟及详细的气动性能评估和流场分析。结果表明:该两级压气机具有良好的气动特性。     

某型多级轴流压气机三维CFD流场分析及气动优化

以某11级轴流压气机为研究对象,通过三维计算软件对某型压气机整机建模及流场进行了数值模拟,分别计算了设计工况、变工况及改变导叶安装角等工况的特性,得到了压气机流量－压比特性曲线、流量－效率特性曲线,与压气机的性能试验数据进行了对比,其误差在可允许范围内.同时对压气机的每一级的数据行了分析,总结了该压气机的气动设计规律.通过流场分析得到出口导叶的流场分布不合理的结论,并通过对其母型机的流场分析,提出了改进的方案.这些工作对压气机的设计开发提供了宝贵经验.     

某重型燃气轮机17级轴流压气机特性预估计算研究

以某重型燃气轮机用17级轴流压气机为研究对象,建立了一种可用于多级轴流压气机特性预估的损失和落后角模型.运用流线曲率法计算得到了不同转速下的压气机特性变化曲线.并将其与全三维数值模拟结果进行了对比,验证了该模型在大流量多级轴流压气机特性预估方面的有效性.通过对设计点各级加工量、总压升分布以及各叶排落后角、效率沿径向分布的对比,验证了该模型在计算大流量多级轴流压气机设计点各级性能参数分布以及各叶排气动参数分布方面的可靠性.     

畸变进气条件下风扇三维非定常流动数值模拟

分析畸变进气情况下轴流风扇/压气机三维流场和性能的三维可压缩模型.该模型利用流线曲率法求得叶片对气流做功的叶轮机源项,然后通过求解带源项的三维非定常Euler方程,对风扇/压气机内部三维流场和性能进行模拟.利用该模型对某一跨音速风扇转子的三维流场和性能进行了数值模拟分析,特别是分析对比了在进口无畸变和进口有畸变情况下的风扇内部三维流场和气动性能.研究结果表明,该三维理论预测模型能有效地分析进气畸变对轴流风扇性能及其稳定性的影响.     

用于跨声速叶轮性能计算的多种分裂格式的分析与比较

针对跨声速压气机叶片内复杂的三维流动,采用自行开发的三维CFD程序对跨音速轴流压气机NASA Rotor 37流场进行数值模拟,对比分析了L-F（Lax Friedrichs）、Steger Warming及Van Leer 3种通矢量分裂格式和AUSMDV混合格式在跨声速叶轮流场数值计算时的格式效应。研究表明：与其他格式相比,AUSMDV在设计工况下的计算结果与实验误差最小,对激波和叶顶间隙泄漏的捕捉能力最强,Van Leer格式次之;Steger Warming格式在计算过程中收敛性最好。     

多级轴流压气机喘振特性分析

基于求解三维雷诺平均N-S方程,采用混合平面法并应用微机网络并行计算技术,结合Spalart-Allamaras一方程湍流模型,对某型多级轴流压气机非设计工况进行了数值计算,分析了近喘振工况下的流场特性。结果表明:在近喘振点时气流流量减小,在叶片吸力面尾缘处容易出现分离,而且叶根附近分离最强。数值模拟结果与实验数据吻合较好,可为压气机的设计和优化提供参考。     

压气机分层优化气动设计体系研究

基于压气机分层次气动优化设计思想,结合了优化算法、CFD(计算流体力学)技术与压气机气动设计程序,利用商业软件,建立了压气机气动优化设计平台,将气动优化设计思想融入到了压气机气动设计多个阶段,以实现压气机气动设计使性能最优化的目的.应用商业通用优化平台进行了轴流压气机一维、S2反问题气动优化设计,并采用NUMECA提供的全三维优化设计平台对压气机进行了全三维气动优化设计.计算结果表明:分层气动优化设计是提高压气机气动性能的有效手段,先进的优化算法在气动设计的各阶段都能够比传统设计手段更大限度地实现压气机性能的最优化.     

Hyperbolically Shaped Centrifugal Compressor

Starting from the classical centrifugal compressor, cone shaped in meridional cross section, two modifications are considered on the basis of results from 2D and 3D flow models. The first modification is the change of the meridional cross section to hyperbolically shaped channel. The second modification, proposed on the basis of 2D axisymmetric solution, concerns the shape of blading. On the strength of this solution the blades are formed as 3D shaped blades, coinciding with the recent tendency in 3D designs. Two aims were considered for the change of meridional compressor shape. The first was to remove the separation zone which appears as the flow turns from axial to radial direction. The second aim is to uniformize the flow at exit of impeller. These two goals were considered within the frame of 2D axisymmetric model. Replacing the cone shaped compressor by a hyperbolically shaped one, the separation at the corner was removed. The disc and shroud shape of the compressor was chosen in the way which sat     

高压压气机转子结构设计及改进方法

为提高设计效率并快速得到适于工程应用的高压压气机转子结构,以改型设计方法为基础对某高压压气机转子结构进行了详细设计,同时对结构改进方法进行了一定的探索。采用叶—盘耦合系统循环对称结构算法及整体转子系统二维轴对称结构算法进行强度设计及改进,前轴颈最大应力下降最多达26%;其次进行支承结构设计,计算校核母型机轴承承载能力。结果表明：轴向力安全裕度最小为28%,轴承寿命大于100 000 h;给出2种调整鼠笼厚度的估算方法用以指导三维有限元计算,同时计算得到前支承刚度;通过二维有限元分析模型计算转子的临界转速,仅将后轴承支承位置沿压气机轴线向后移动7.5 mm,全运行工况转速与第2阶临界转速的安全裕度由18.5%提高到21.2%。     

出口测量探针布局对轴流压气机气动性能试验的影响研究

为了研究出口测量探针布局(探针数量及所处轴向位置)对压气机气动性能试验的影响,针对含测量探针的三级轴流压气机开展全周非定常数值计算。结果表明：出口测量探针将改变上游的流场结构,在末级叶片进出口截面对应探针的周向位置处形成局部高总压区和气流角偏移区,该区域覆盖有3～4个叶栅通道;随着探针与末级叶片轴向距离增加,高总压区的强度减弱,但作用范围增加;增加出口探针数量并未明显改善压气机试验性能评估精度,与无探针条件下的压气机性能相比,压比偏高0.6%,效率绝对值偏高1.8%;为减少试验中基于探针测点得到的压气机性能试验误差,不仅需考虑探针对测量截面流场的影响,更应根据测量截面流场不均匀性合理布局探针。     

舰船大功率轴流压气机气动设计研究

基于建立的舰船大功率多级轴流压气机气动设计体系,开展了舰船用某型大功率燃气轮机压气机设计研究,完成了6级轴流压气机的气动设计。进行了一维反问题设计、一维特性计算分析、S2反问题计算、叶片造型以及三维CFD计算分析。各级载荷分布从前面级到后面级逐渐降低,叶展方向按照等压比分配以避免径向掺混损失过大,S2设计并没有严格遵循传统的设计规律(等环量、等反动度等),而是基于一维设计方案通过不断调整优化获得的。根据CDA的特点,开发了可用于工程应用的叶片造型程序,可实现不同中弧线、不同厚度分布调节,能够实现叶片弯、掠等功能。三维数值模拟结果表明,考虑动叶叶顶具有0. 5 mm间隙的情况下,6级压气机设计点效率达到89. 75%,设计转速下的喘振裕度为22. 5%,同时具有较好的变工况性能。     

Investigation of a centrifugal compressor and study of the area ratio and TIP clearance effects on performance

In this research, the centrifugal compressor of a turbocharger is investigated experimentally and numerically. Performance characteristics of the compressor were obtained experimentally by measurements of rotor speed and flow parameters at the inlet and outlet of the compressor. Three dimensional flow field in the impeller and dif- fuser was analyzed numerically using a full Navier-Stokes program with SST turbulence model. The performance characteristics of the compressor were obtained numerically, which were then compared with the experimental results. The comparison shows good agreement. Furthermore, the effect of area ratio and tip clearance on the performance parameters and flow field was stud- ied numerically. The impeller area ratio was changed by cutting the impeller exit axial width from an initial value of 4.1 mm to a final value of 5.1 mm, resulting in an area ratio from 0.792 to 0.965. For the rotor with exit axial width of 4.6 mm, performance was investigated for tip clearance of 0.0, 0.5 and 1.0 mm. Results of this simula- tion at design point showed that the compressor pressure ratio peaked at an area ratio of 0.792 while the effi- ciency peaked at a higher value of area ratio of 0.878. Also the increment of the tip clearance from 0 to 1 mm resulted in 20 percent efficiency decrease.     

Effects of axial non-uniform tip clearances on aerodynamic performance of a transonic axial compressor

This paper presents a numerical investigation of effects of axial non-uniform tip clearances on the aerodynamic performance of a transonic axial compressor rotor （NASA Rotor 37）. The three-dimensional steady flow field within the rotor passage was simulated with the datum tip clearance of 0.356 mm at the design wheel speed of 17188.7 rpm. The simulation results are well consistent with the measurement results, which verified the numeri- cal method. Then the three-dimensional steady flow field within the rotor passage was simulated respectively with different axial non-uniform tip clearances. The calculation results showed that optimal axial non-uniform tip clearances could improve the compressor performance, while the efficiency and the pressure ratio of the com- pressor were increased. The flow mechanism is that the axial non-uniform tip clearance can weaken the tip leak- age vortex, blow down low-energy fluids in boundary layers and reduce both flow blockage and tip loss.     

蜗壳冷却对增压器压气机性能的影响分析

本文采用ANSYS-CFX对压气机进行三维流动数值模拟,获得了采用蜗壳冷却技术和不采用冷却技术两种情况下的压力和温度的三维流场分布情况,分析了蜗壳冷却技术对压气机流场的影响。结果表明,模拟计算结果与原机试验所测得的结果基本吻合,采用蜗壳冷却技术可以降低压气机出口空气的温度,增大出口空气的压力,进而提高增压器的充气密度,改善了增压器的性能,并为压气机蜗壳冷却技术的优化和改进提供参考。     

某压气机内部三维流场数值模拟研究

以某重型燃气轮机的整个压气机为研究对象,通过计算软件对该压气机内部三维流场进行设计工况下的数值模拟研究,获得的压气机特性计算结果与试验值吻合良好;并详细分析了该压气机内部流场结构,找出了该燃气轮机最大噪声位置及其形成原因,同时获得了两种压气机内部流场的控制方法,对于压气机设计具有指导意义.