微型离心式压气机叶轮流固耦合仿真研究

发布时间：2020-06-10 07:08

【摘要】：微型涡轮发动机是一种小型的动力装置,由于其战略的重要性,一直都是各个国家的研究重点。压气机是微型涡轮发动机的核心部件,叶轮是压气机的唯一做功元件,其性能的好坏决定着压气机性能的好坏,进而影响涡轮发动机的性能。为提高微型压气机在高温高压高转速及复杂的多相耦合环境的下的性能,对其进行数值模拟和叶轮强度有限元分析具有重要意义。论文开展了以下工作:(1)采用工程软件ANSYS CFX对某微型涡轮发动机压气机叶轮进行数值模拟,得到压气机在不同转速下的变工况特性曲线,分析了压气机叶轮特征截面流动分布情况。在分析内部流场基础上,探究了叶片数和分流叶片长度对压气机叶轮性能的影响,结果表明叶轮最佳叶片数为7对,叶轮最佳分流叶片长度为0.813倍的主叶片长度,此时压气机增压比为3.81,等熵效率为66.82%。(2)为了获得叶轮叶片的应力应变分布情况,对叶轮叶片进行单向流固耦合仿真,分析了在流固耦合作用下的叶轮叶片的应力应变分布,得到了叶轮叶片的应力分布云图。比较了离心力和气动力对叶轮叶片应力应变的影响。结果表明,叶轮叶片最大应力发生位置在叶片根部,最大应力为705.33MPa,最大应变发生位置在叶片前缘叶顶处,最大应变为0.28mm。同时分析了在有预应力和无预应力下的叶轮固有频率和模态振型,结果表明预应力会使叶轮刚度增加,使固有频率增加。(3)最后综合考虑热载荷对叶轮叶片强度和固有频率影响,将离心力、气动力、热载荷施加到叶轮叶片上,最终得到三种力共同作用下的叶轮叶片应力应变分布。结果表明,相比于只考虑离心力和气动力影响的情况下,在加载热载荷后,最大应力增加了7.62%,最大应变增加了26.32%,热载荷使固有频率增加。
【图文】：

图 1.1 全球鹰无人机 图 1.2 微型涡轮发动机对于第二类应用，主要由第一类应用改造得来的，因为微型涡轮发动机的具有能量密度高、热效率高，污染小，所以将它改造成小型发电系统的动力设备。各个国家因为上述优点，都开始研制微型涡轮发电系统，现在是分布式能源系统的一个重要方向[14]。从 1995 年开始，Allied Signal、Capstone、GE 等公司开始展示出 25kW-75kW 的微型燃气发电机组（图 1.3）[15]，随后每年都有新型机组展出。由于其污染小，美国电力公司 PE&E 计划研发新技术来增强以微型涡轮发动机为主的分布式能源系统，并且提出让分布式供电系统来满足未来50%的用电需求的目标。而我们国家以天然气为燃料的分布式能源系统已经建设成功，在一线城市的居民小区、住宅楼、大学城等随处可见。

图 1.1 全球鹰无人机 图 1.2 微型涡轮发动机对于第二类应用，主要由第一类应用改造得来的，因为微型涡轮发动机的具有能量密度高、热效率高，污染小，所以将它改造成小型发电系统的动力设备。各个国家因为上述优点，都开始研制微型涡轮发电系统，现在是分布式能源系统的一个重要方向[14]。从 1995 年开始，，Allied Signal、Capstone、GE 等公司开始展示出 25kW-75kW 的微型燃气发电机组（图 1.3）[15]，随后每年都有新型机组展出。由于其污染小，美国电力公司 PE&E 计划研发新技术来增强以微型涡轮发动机为主的分布式能源系统，并且提出让分布式供电系统来满足未来50%的用电需求的目标。而我们国家以天然气为燃料的分布式能源系统已经建设成功，在一线城市的居民小区、住宅楼、大学城等随处可见。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK14

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本文编号：2705958