多级离心压气机设计软件开发及其在双级离心压气机设计中的应用示范

发布时间：2020-04-05 08:04

【摘要】： 当前小推力航空发动机及小功率民用燃气轮机对压气机的结构和性能提出了新的挑战,除了要达到设计所需的流量、压比和效率以外,也对机动性和灵活性等方面提出了更高的要求。与多级轴流式压气机相比,多级离心压气机具有重量轻、体积小、单级加功量大的特点,采用多级离心压气机成为解决这一难题的重要途径。与国外相比,我国对多级离心压气机的研究刚刚起步,为了减小技术差距,缩短研究周期,提高设计能力,开发多级离心压气机的快速高效气动设计平台成为了首要任务。多级离心压气机的气动设计,包括一维初步设计、流道成型、S2流面计算、叶片造型、三维CFD验证等阶段。由于离心旋转机械S2流面计算偏差较大,可靠性较低,一般直接改以Bezier曲线给定叶尖、叶根构造角的方式完成叶片造型,继之以三维CFD验证。本文在算法方面的工作主要包括: 1.对一维初步设计中的单级离心压气机模型进行改进,并以Krain叶轮为算例进行校核;加入弯道、回流器设计模块;引入压比分配、参数优化算法;完成多级离心压气机初步设计模型。 2.开发了一种多级离心压气机流道造型算法;发展了基于直纹面几何成型法的叶片造型技术;基于OpenGL技术,发展了可视化造型算法,使气动设计与造型结果同步显示,设计工作更加直观。 3.完成所有算法的计算机程序实现,将算法模块封装为动态链接库(dynamic link library,dll),实现算法保护功能。 4.以上述程序及算法为基础,开发出具有友好用户图形界面的多级离心压气机气动设计平台,能够快速实现高性能离心压气机的气动设计。在此软件平台上,本文又继续进行了如下工作: 5.用该软件设计了一台流量为3.5kg/s、压比为9的高负荷双级离心压气机;并用NUMECA求解器进行了三维性能验证;对一些影响多级离心压气机气动性能的影响因素进行了详细分析。
【图文】：

离心式压气机,结构示意图

离心式压气机具有重量轻、体积小、单级加功量大的特点。在对于机动性，灵活性要求较高的动力装置中，离心式压气机被广泛使用。离心式压气机由导风轮、叶轮、扩压器等组成，如图1一1所示。空气由进气道进入压气机、经过与叶轮一起旋转的导风轮的导引进入叶轮。在高速旋转叶轮作用下，，空气由叶轮中心被离心力甩向叶轮外缘，压力也逐渐提高，由叶轮流出的空气进入扩压器后速度降低，静压再次提高，最后由出气管流出压气机。图1一l离心式压气机结构示意图随着技术的进步，先进动力系统对于增压比的要求越来越高，单级离心压气机已经不能满足需求，采用多级离心式压气机是既能解决更高的增压比需求，又能满足机动灵活要求的重要途径。因此，多级离心式压气机的设计是评价一个现代推进动力技术的一个重要依据，对其气动设计有待我们去探索实践。

离心压气机,效率

抢抢抢 000 TTTIPRelati忱 Macfff山山 NNNNN”mbe『『图1一3离心压气机效率图1一4叶尖进口马赫数对效率影响图l一 5JTAGGIH先进概念离心叶轮图l一6前缘后掠叶轮圣1.2.2国内研究状况20世纪50年代，我国著名的科学家吴仲华教授提出了对叶轮机械发展具有划时代意义的两簇流面理论，奠定了叶轮机械内部三元流场求解的基础[7]。随着吴氏二元理论的提出，离心压气机的设计方法开始由几何设计或二维气动设计向准三维气动设计及全三维气动设计方法转变。许多国内外专家学者利用这一理论对离心压气机进行了研究并取得了许多有益的成果。国内在离心压气机三元叶轮的各类反命题设计方法中，以角动量的不同分布来控制叶片几何型线的方法应用较广。席光等人以德国宇航院(DF儿R)Kral’n博士设计并试验的后向三元叶轮为研究对象，对其内部流动及气动性能进行了计算，在保留子午型线的前提下，改变角动量分布，对叶片重新设计，以研究角动量分布对叶轮内部三维流场及总体性能的影响，发展了一种以三维粘性分析为参考准则的实用设计方法
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH452

【引证文献】