亚声速重复级压气机试验台气动与结构设计

发布时间：2017-09-30 04:32

  本文关键词：亚声速重复级压气机试验台气动与结构设计

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【摘要】：压气机作为航空发动机核心机和燃气轮机的三大部件之一,其性能的提高一直以来受限于其内部气动流场的准确认识。目前,进行气体动力学研究的方法主要有理论分析、数值模拟和实验研究。其中实验研究因其真实可靠,对另外两种方法有着检验和指导作用,在气体动力学研究上具有不可替代的作用。低速压气机试验台是诸多实验装置中较为特别的一种,相对于简单的风洞叶栅试验它能够更真实地模拟并测量实际工作状态下的压气机流场,而相对于高跨声速压气机试验台他又有着测量精度高、试验成本低等突出优点,因而在实验领域广受研究者的关注。大连海事大学辽宁省船用小型燃气轮机技术重点实验室在参考国内外已有的压气机实验台参数上,拟建设一台亚声速重复级压气机试验台,从而为压气机三维流场的研究提供更翔实而准确的实验数据。本文的研究目的就是为该压气机试验台进行初步的气动设计和结构设计。首先,借助于NREC完成了气动设计部分的任务。由于设计目标是重复级的压气机,本文先进行了单级压气机的设计,之后将性能优异的单级进行复制后附于原级之后与原有级共同组成双级的压气机。设计过程中,在求解简单径向平衡方程的基础上,采用等环量扭曲方法对动叶进行了扭叶片的设计,静叶采用直叶片,其叶型根据叶片中径的速度三角形进行设计。在完成了100mm、150mm和200mm三个弦长的单级设计之后,采用NUMECA软件对三种弦长的单级压气机进行三维数值模拟,结果显示,后两个弦长的设计表现出了更为优异的性能和更好的流场。而后续对这两个弦长的双级设计通过模拟结果的分析发现,150mm弦长的双级设计流场恶化严重,从而使得该弦长设计的整机性能参数不能满足预定的目标。另外,考虑到流场测试的空间便利性要求,最终选定了200mm弦长的设计方案。之后,对选定设计进行了4个非设计转速工况的数值模拟,得到了各工况下的压气机特性曲线。各个转速下的特性曲线显示了本文设计的压气机具有良好的变工况性能,结合设计转速下的三维流场数值模拟结果,证明了本文的压气机设计参数符合设计要求。最后是整个压气机试验台的结构设计。总体上采用水平卧式安装,开口直流式的轴向均匀进气,径向蜗壳排气。对于压气机流场的测量方法与所采用的气动测量仪器及其布置也进行了合理的设计,达到了压气机性能与流场测试的要求。
【关键词】：压气机试验台 气动设计 结构设计
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH45
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 研究背景12-15
• 1.2 国内外相关课题发展现状15-20
• 1.2.1 国外研究现状15-16
• 1.2.2 国内研究现状16-19
• 1.2.3 国内外文献综述的简析19-20
• 1.3 本文主要内容及工作20-23
• 第二章 压气机气动设计及流场数值模拟方法23-41
• 2.1 引言23
• 2.2 压气机的气动设计方法23-33
• 2.2.1 基元级及基元级的速度三角形23-24
• 2.2.2 基元级无因次参数和无因次速度三角形24-25
• 2.2.3 叶片扭曲规律25-31
• 2.2.4 叶片叶型几何造型方法31-32
• 2.2.5 关于NREC软件32-33
• 2.3 数值模拟方法33-40
• 2.3.1 CFD的常用数值方法33-35
• 2.3.2 CFD中涉及的控制方程35-36
• 2.3.3 关于NUMECA软件36-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第三章 单级压气机气动设计与流场数值模拟41-75
• 3.1 引言41-42
• 3.2 设计参数的预处理42-46
• 3.2.1 动叶叶中速度三角形42-44
• 3.2.2 动叶叶根速度三角形44-45
• 3.2.3 动叶叶顶速度三角形45-46
• 3.3 叶型设计46-64
• 3.3.1 一维设计48-54
• 3.3.2 三维叶片造型54-64
• 3.4 流场的数值模拟64-73
• 3.4.1 数值验证64-67
• 3.4.2 单级计算网格划分67-68
• 3.4.3 单级压气机特性曲线68-69
• 3.4.4 S1截面流线静压云图及熵值云图69-71
• 3.4.5 静叶出口S3截面气流偏转角及气流俯仰角正切值云图71-73
• 3.5 本章小结73-75
• 第四章 重复级压气机气动设计与流场数值模拟75-92
• 4.1 引言75
• 4.2 不同弦长设计的流场比较75-89
• 4.2.1 双级压气机模拟网格划分76-77
• 4.2.2 双级压气机特性曲线77-78
• 4.2.3 S1截面流线静压云图及熵值云图78-81
• 4.2.4 极限流线分析81-85
• 4.2.5 S3截面熵值云图85-88
• 4.2.6 小结88-89
• 4.3 非设计转速下压气机的性能89-91
• 4.4 本章小结91-92
• 第五章 亚声速压气机试验台结构设计92-101
• 5.1 前言92
• 5.2 压气机试验台整体结构方案92-96
• 5.2.1 动力系统92-93
• 5.2.2 传动系统93-94
• 5.2.3 进气系统94
• 5.2.4 本体结构94-95
• 5.2.5 排气系统95-96
• 5.3 压气机实验台测试方法设计96-99
• 5.3.1 压气机特性线测试方法96-97
• 5.3.2 静叶流道与出口流场测试方法97-98
• 5.3.3 流动可视化测试方法98
• 5.3.4 动叶出口非定常流场测试方法98-99
• 5.3.5 动叶叶顶非定常压力场测试方法99
• 5.4 本章小结99-101
• 总结与展望101-103
• 工作总结101-102
• 工作展望102-103
• 参考文献103-106
• 攻读学位期间发表的学术论文106-107
• 致谢107-108
• 个人简历108

【参考文献】

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本文编号：946192