单级轴流氦气压气机空气模拟气动性能数值分析

HTGR-10模块式高温气冷堆作为第四代反应堆型具有系统简单、安全可靠和经济性能优越等特点。而氦气循环透平发电机组的氦气压缩机性能,将成为发电是否高效的决定因素之一。本文利用Numeca数值模拟软件对一亚音速轴流氦气压气机试验机进行了气动性能及准数关系研究,分析了气流在叶栅中的流动机理,探讨了等雷诺数下相似准数对压气机叶片性能的影响。结果表明:采用空气工质模拟氦气压缩,在马赫数小于0.4工况下对压气机的通流流动影响很小,基本可以忽略;采用大于0.5的反动度,增加正预旋可以使效率维持较高的水平;在马赫数较小的情况下,绝热指数k不会对相似模拟产生大的影响。     

基于弯曲叶片的氦气轴流压气机优化设计

针对高负荷氦气压气机中角区分离、叶顶泄漏严重带来的效率损失问题,以单级氦气压缩机为研究对象,利用CFD方法,分析了不同弯曲角度下氦气压气机内部的角区损失和叶顶泄漏损失,并优化了现有五级轴流氦气压气机。结果表明：叶片正弯会增加端区处的静压,减少角区分离,进而降低角区损失;对动叶而言,在设计攻角下正弯也会增加前缘损失;动叶叶顶反弯使泄漏流远离下一个叶片的压力面,而合适的反弯角度可以降低叶顶泄漏量;选取合适的弯曲角度使五级轴流压气机设计点效率提高1.85%。     

应用于氦气压气机的相似模化方法验证

为解决氦气压气机与空气的相似模化问题,针对进出口比容比相等的近似模化方法,采用NUMECA计算流体力学软件,以某型轴流氦气压气机级为模型,进行了数值模拟验证计算,并与试验结果做比较。从数值模拟验证可知,公式计算和数值模拟的性能曲线相差较小,氦气和空气不同工质下的气流角偏差也很小;而从空气试验结果可知,公式计算和试验结果的压比曲线基本重合,但绝热效率曲线有一定偏差。综合表明,具有常规叶型的氦气压气机,在马赫数低于0.4以及压比低于2的情况下,不考虑马赫数相等的近似模化方法是有效实用的。     

氦气离心压气机高压比设计研究

氦气离心压气机是预冷发动机氦回路的核心部件,但国内对氦气离心压气机的相关探究较少。为探究氦气离心压气机的压比设计方法,从离心压气机进口和出口速度三角形的角度,分析了出口安装角、滑移因子以及进气负预旋对叶轮做功的影响。提出了基于低出口安装角、高滑移因子和进气负预旋的高压比设计方法。根据此方法设计出了总压比为2.521、等熵效率为83.2%、喘振裕度为18.55%的氦气离心压气机,并通过数值模拟的方法对此压气机的气动特性以及流场进行了分析,证明了高压比设计方法的可行性。     

多级轴流氦气压气机流动失稳实验研究

利用闭式循环实验台,分别使用氦气和空气工质,对多级轴流氦气压气机的流动失稳进行实验研究。实验结果表明,在不同转速下,氦气压气机的流动失稳呈现出不同的特征:在高转速下,流动失稳呈现出大尺度、高振幅、低频率的喘振特征;在低转速下,流动失稳表现为小尺度、高振幅、高频率的旋转失速特征;而在中间的过渡转速,则表现为大尺度和小尺度扰动同时出现。基于相似准则的空气工质实验所表现的流动失稳特征与氦气工质实验所表现的特征一致,且相应的B参数亦接近,说明流动失稳特征与工质无关,是压缩系统特性的表现。     

不同湍流模型对跨音速轴流压气机数值模拟适应性研究

为研究不同湍流模型对跨音速轴流压气机内部流场和整体性能的影响,采用了5种湍流模型对额定转速下的NASA Rotor67转子进行三维流场数值模拟,分析不同湍流模型计算所得相对流量与压比、效率之间的关系,以及内部流场马赫数分布情况。与实验结果对比发现,5种湍流模型计算出的整体性能和内部流场马赫数分布中,κ-ω模型相比标准κ-ε模型、RNG κ-ε模型、SST模型和SSG雷诺应力模型预测精度更高。     

多级轴流压气机吸雨性能变化的数值研究

为了研究吸雨对轴流压气机性能和稳定性的影响,以某型三级轴流压气机为研究对象,利用CFD软件针对不同吸雨量及雨滴颗粒直径进行了两相流数值模拟。研究结果发现：雨水的吸入会不同程度地降低压气机的总压比、总温比及效率等性能参数,在相同吸雨量的情况下雨滴颗粒的直径变化对压气机性能影响较小,而性能的恶化程度会随着吸雨量的增大而大幅度增大;雨水的吸入会影响压气机的气动参数,影响各级间的性能匹配,雨水的吸入会不同程度上改变各级的进口气流角,对后两级的影响较大;雨水吸入使动叶叶根处的反动度变小,叶顶处的反动度变大,从而改变各级间动静叶的负荷分配,降低压气机的效率。     

跨音轴流压气机气动设计与数值优化

介绍了带有进口导流叶片的三级跨音轴流压气机的气动设计与数值优化过程,气动设计采用准三维体系,包括一维平均流线设计、S2流面通流设计和任意中弧线叶片造型设计,并利用商用软件Numeca进行压气机流场分析.采用遗传算法结合人工神经网络的全局优化方法对第一级跨音动叶在多级环境下进行三维数值优化.结果表明:与优化前相比,优化后跨音级动叶叶尖的激波-边界层干涉损失明显降低,第一级动叶与三级压气机整机近设计点的绝热效率分别提高了0.87%和0.37%,压气机整机的质量流量、总压比、绝热效率和失速裕度均能够满足设计目标.     

小型离心式压气机压缩氦气闭式循环的初步研究

介绍了小型离心式压气机闭式循环实验台的组成,并在此实验台上进行了压缩氦气和压缩空气闭式循环的实验,针对实验所得数据进行整理和理论分析,得到了压气机压缩氦气的特性线,并且利用压缩空气和压缩氦气的对比实验结果,初步分析了同一压气机压缩不同工质的相似现象。     

轴流压气机缩尺模化比例与性能关联研究

通过数值模拟对Stage35和某3.5级轴流压气机进行了缩尺模化,在保证相对叶尖间隙相同条件下研究不同缩尺比例的雷诺数效应,并通过3个典型雷诺数修正公式,对各缩尺条件下的单级和多级压气机性能进行预测。结果表明:随着缩尺比例减小,压气机特性线向左下方移动,在小缩尺比例下性能恶化程度增加。对于峰值效率和其对应的相对流量,Stage35在0.5缩尺比下较原型分别下降了0.95%和0.34%,在0.1缩尺比下分别下降5.75%和2.32%;3.5级轴流压气机在0.5缩尺比下较原型分别下降0.79%和0.22%,在0.1缩尺比下分别下降3.2%和1.2%。DietmannCasey修正公式对轴流压机性能预测的精确度较高且适用性强,对于单级和多级均有良好的修正效果,当缩尺比例大于0.2时,相对修正误差均小于1%。     

某轴流式压气机气动不稳定的相关积分分析

研究了某轴流式压气机节流试验中的气动不稳定问题。运用非线性的相关积分方法对压气机机匣壁面沿程静压信号进行了分析。结果表明,压气机静叶通道机匣壁面给定点静压信号的相关积分值随着发动机工作状态的不同有规律的发生变化,反映了对应位置的流动分离状况;压气机沿程各级静叶通道机匣壁面静压的相关积分值可以反映不同工况时压气机各级叶尖的流动匹配情况;压气机第一级静子机匣壁面静压信号的相关积分值可以反映中低转速工况下放气带开关状态对转子端壁流态的影响。研究还表明,压气机静子机匣壁面沿程静压信号的相关积分分析是进行压气机气动稳定性监控诊断的一种有效手段。     

基于基元叶栅法的轴流式压气机变工况性能计算模型

基于基元叶栅法,建立了轴流式压气机的变工况计算模型,并采用变比热公式计算空气的热力参数;绘制了压比、等熵效率、折合耗功率和折合出口总温的通用特性曲线;计算了压气机的运行工况线。在此基础上,确定了压气机的喘振边界线。定量计算了IGV对压气机通用特性曲线的影响。建模过程中,考虑了空气相对湿度对压气机通用特性曲线的影响。算例表明,该模型精度较高,能够对具有IGV的压气机进行变工况计算。本文所做工作为进一步研究压气机的变工况性能奠定了基础。     

跨音速轴流压气机间隙泄漏流流动特性研究

间隙泄漏流对轴流压气机的旋转失速造成严重影响,通过对跨音速压气机 NASA 转子 37 进行单通道非定常及多通道非定常数值模拟,单通道非定常计算揭示,在近失速工况下,叶项存在间隙泄漏流自身非定常性,并且比较了两个不同背压条件下的非定常模拟结果,当出口背压较大的情况下,间隙泄漏流非定常性很不稳定,而当出口背压较小时,泄漏流非定常性稳定;多通道非定常数值模拟结果显示,在近失速工况下,当出口背压较大的情况下,间隙泄漏流非定常振荡,触发突尖型旋转失速先兆,具体表现为叶尖前缘间隙泄漏流溢出,而当出口背压较小的情况下,间隙泄漏流非定常性始终较为稳定.     

压缩机断轴修复

对H210－9／0．97型空压机Ⅲ-Ⅳ级转子断轴进行修复,经强度计算,焊接工艺的优选确保了转子的性能,节省了费用。     

单级轴流压气机周向槽与梯状间隙结构的对比

在验证了计算模型的可靠性后,对单级轴流亚音压气机进行了71%设计转速下,实壁机匣,周向槽机匣与梯状间隙结构工作特性的数值模拟。结果表明,周向槽机匣与梯状间隙结构都能在一定范围内起到扩稳作用。周向槽的作用更多地体现在对叶片前缘叶顶泄漏涡的控制上,因此更适于设计在叶片通道的前半段。梯状间隙结构在叶片通道前半段与后半段都能起到扩稳作用,只是施于叶片前缘时,压气机效率损失较大,而施于叶片尾缘时,可以减小叶片尾迹分离区的面积,对提高压气机效率有益。     

多级轴流压气机变工况性能数值模拟

采用商业软件NUMECA对某型轴流压气机进行了数值计算,采用Spalart-Allamaras湍流模型,运用了多重网格技术以及残差光顺方法缩短计算周期。在额定工况计算的基础上进行了变工况的数值模拟,计算结果与试验曲线进行了对比分析,试验曲线与软件计算的曲线在趋势上是相符的。相同压比下,软件计算的流量偏大,在靠近额定工况点附近,流量偏差3%以内,在远离额定工况点流量偏差5%左右;对于喘振边界点的预测,运用NUMECA进一步提高出口静压可以逼近发散点,此时可以近似认为失速点,再结合NREC计算出的失速点,可以得到相应的喘振边界点。     

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.     

压气机湿压缩研究的发展

温压缩作为一种增加压气机效率的手段正日益受到关注。本文介绍这一理论在国内外的发展动态。     

增压器压气机三体接触问题的研究

涡轮增压器是机车柴油机的重要部件之一。增压器压气机叶轮、轴套和轴采用过盈配合技术联成一体,这是典型的三维多体接触问题。以某柴油机涡轮增压器的压气机为例,采用有限元参数二次规划法,并结合多重子结构技术分析求解叶轮与轴套、轴套与轴的三维弹性接触问题,利用JIFEX程序,针对不同的过盈量、转速和轴套壁厚进行了大量计算,获得了叶轮、轴套与轴之间接触应力的相应分布规律,以作为设计、制造时参考。