弯掠离心叶轮流动机理研究及气动优化

发布时间：2017-05-17 02:09

  本文关键词：弯掠离心叶轮流动机理研究及气动优化，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：离心压气机是小型航空/地面燃气轮机和涡轮增压器压气机部件的主要形式,一直向高压比、高效率、宽稳定裕度方向发展,而常规的直母线叶轮难以满足日益增长的性能要求。弯掠技术可以有效提高压气机性能,但在离心压气机中的作用机理不明确、设计规律不清晰,因此深入开展不同曲面叶轮流动机理及性能研究具有现实的意义。另外,配备离心压气机的航空发动机或涡轮增压器常常需要在高海拔低雷诺数工况下工作,压气机性能退化严重。通过不同高度雷诺数对离心压气机性能影响分析,探索基于弯掠叶轮的改进方法及技术具有应用价值。基于此,本文主要开展了以下研究内容:首先,研究不同弯型在离心叶轮中的应用。利用设计软件对离心叶轮进行弯叶形改型设计,叶片弯的形状主要由两个参数“弯曲位置”以及“弯曲量”沿流向的分布决定,共设计12种前缘改型方案,4种尾缘改型方案。并通过数值方法得到其总体性能,进而分析其内部流场变化。研究表明,前缘负弯有助于提高压气机的峰值效率、压比,并且越靠近叶顶,改善作用越明显,负弯使阻塞流量提高。前缘70%展高7mm的负弯叶轮具有最高效率,效率较原型提高0.6%,阻塞流量较原型提高4%。然后,研究不同掠型在离心叶轮中的应用。首先分别对叶轮主叶片前缘、分流叶片进行单独掠型设计,通过数值计算得到其性能变化趋势,并分析内部流动机理,结果显示:主叶片前缘顶部后掠使叶轮效率有所提高,但是会减小稳定裕度,并且变化程度与改型程度成正比。而主叶片前缘中部后移会使叶轮工作的稳定裕度扩展。分流叶片的后掠会使峰值效率提高。组合主叶片前缘中部后移和分流叶片后掠得到的方案具有较好的气动性能,效率提高约0.7%,压比提高约2%,裕度也有所提高。最后,研究低雷诺数对压气机性能的影响以及弯掠叶型的改善能力。结果显示,在高空低雷诺数工况下,压气机性能恶化严重,尤其在20km高空以上,压气机的效率和压比下降幅值较大。与标准大气条件工况相比,在10km、20km、30km高空峰值效率分别下降1.4%、6.4%和15.4%,最大压比分别减小了0.15、0.66、1.49,工作裕度亦逐渐减小。通过改型叶轮在高空低雷诺数条件下适应性研究发现,负弯叶形并未使叶轮峰值效率、压比等参数提高,只是使堵塞流量变大。主叶片顶部后掠在20km高空并未对原型叶轮性能产生明显的影响,Case(B)20km工况较地面裕度的下降有所减小。分流叶片后掠使得叶轮有所效率提升。组合叶型Case(O)在高空低雷诺数工况获得了最好的气动性能,整体工作的流量范围扩展较大(3.9%),同时效率提高约0.6%。
【关键词】：离心叶轮 数值仿真 弯叶型 掠叶型 低雷诺数
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH452
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 符号表9-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 课题来源12
• 1.2 课题研究背景与意义12-13
• 1.3 国内外研究进展13-24
• 1.3.1 离心压气机气动设计发展现状13-14
• 1.3.2 弯掠三维叶片技术发展14-21
• 1.3.3 雷诺数对离心叶轮性能影响及应对措施21-24
• 1.4 本文主要工作24-25
• 第二章 数值方法及校验25-32
• 2.1 引言25
• 2.2 数值模拟软件介绍25-26
• 2.3 数值方法校核26-31
• 2.3.1 Krain叶轮介绍26
• 2.3.2 网格与计算条件设置26-29
• 2.3.3 总体性能对比分析29
• 2.3.4 流场参数对比29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第三章 弯型离心叶轮气动性能研究32-52
• 3.1 引言32
• 3.2 弯型叶轮气动性能分析32-50
• 3.2.1 弯叶型设计方案32-34
• 3.2.2 负弯对叶轮气动性能影响34-42
• 3.2.3 正弯对叶轮气动性能影响42-49
• 3.2.4 尾缘弯对叶轮气动性能影响49-50
• 3.3 本章小结50-52
• 第四章 掠型离心叶轮气动性能研究52-66
• 4.1 引言52
• 4.2 掠型叶轮气动性能分析52-65
• 4.2.1 叶轮前缘改型方案52-54
• 4.2.2 叶轮总体气动性能对比54-56
• 4.2.3 流场结构分析56-65
• 4.3 本章小结65-66
• 第五章 低雷诺数下弯掠三维离心叶轮适应性研究66-80
• 5.1 引言66
• 5.2 低雷诺数对叶轮性能影响分析66-74
• 5.3 弯掠三维叶轮对低雷诺数影响改善设计74-79
• 5.3.1 弯叶轮对低雷诺数影响改善74-76
• 5.3.2 掠叶轮对低雷诺数影响改善76-79
• 5.4 本章小结79-80
• 总结与展望80-82
• 主要结论与创新点80-81
• 研究展望81-82
• 参考文献82-86
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单86-87
• 致谢87

【参考文献】

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1 王云飞;雷诺数对离心压气机性能影响的研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

  本文关键词：弯掠离心叶轮流动机理研究及气动优化，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：372344