组合压气机气动优化设计与试验验证

以轴流-离心组合压气机为研究对象,根据机械加工改铸造加工节约生产成本的改进目标,对离心叶轮和径向扩压器进行优化设计。全三维数值仿真结果表明,优化设计方案提高了该组合压气机的性能和喘振裕度,达到了优化设计目标。优化设计虽然恶化了离心叶轮与径向扩压器尖区流动,但对离心叶轮叶中及以下区域和后排通道内流动的改善较明显,且对前面的轴流级叶排内部流动基本无影响。试验验证表明,优化设计压气机的性能满足设计指标要求,优化设计技术得到充分验证,为后续类似设计积累了经验。     

五种径向扩压器与同一离心压气机叶轮相互匹配的试验研究

介绍了某型离心压气机叶轮与五种径向扩压器匹配的试验研究。通过试验录取了五种径向扩压器与同一离心叶轮匹配的性能数据，并对试验结果进行了初步分析和对比．评定了各方案试验性能的优劣；还讨论了叶片式径向扩压器造型参数的变化和叶片前后缘圆心位置的不同处理对离心压气机性能的影响。     

高速离心压缩机旋转失速的三维数值模拟

使用商业计算流体力学软件CFX求解三维雷诺平均的Navier-Stokes方程组,结合出口气腔模型对某带无叶扩压器的离心压缩机的旋转失速现象进行数值模拟。首先使用定常计算得到了该离心压缩机的稳态性能曲线,并和实验测量值进行了比较。然后引入出口气腔模型,模拟离心压缩机内的旋转失速流动。在小流量下,从沿流线方向速度等值线图和径向速度等值线图中观察得到了离心压缩机内部流场的非定常流动现象。还研究了气腔模型不同参数对失速流动的影响,结果表明气腔体积越大,计算得到的失速频率越低。     

Qiu滑移模型在小型离心叶轮通流设计中的适应性改进

对Qiu滑移模型进行若干原理改进,通过在迭代中调用,将其耦合嵌入至本研究组的通流设计反问题程序,然后应用于某小型离心叶轮的设计.用定常黏性计算流体力学验证了改进的Qiu模型辅助设计的离心叶轮的气动性能.研究了Qiu模型用于通流反问题体系后预测小型离心叶轮滑移因子的能力.研究表明Qiu模型在通流设计中的适应性改进是必须的,可全面提高离心叶轮气动设计质量.虽然改进模型对滑移因子分量的估计存在偏差,但通过给定合适的经验系数完全可以使其给出的滑移因子达到工程实用的精度.另外在Qiu模型中被忽略的滑移因子分量对于离心叶轮仅在叶片后弯角绝对值较小时相对其他分量较小.     

带气腔的离心压缩机旋转失速的三维数值模拟

使用商业CFD计算软件CFX求解三维雷诺平均的Navier-Stokes方程组, 结合出口气腔模型对某带无叶扩压器的离心压缩机的旋转失速现象进行数值模拟.首先使用定常计算得到了该离心压缩机的稳态性能曲线, 并和实验测量值进行了比较.然后引入出口气腔模型, 模拟离心压缩机内的旋转失速流动.在小流量下, 从矢量图和径向速度等值线图中观察得到了离心压缩机内部流场的非定常流动现象.还研究了气腔模型不同参数对失速流动的影响, 结果表明气腔体积越大, 计算得到的失速频率越低.      

离心压气机级串列叶栅扩压器内流场的数值研究

对某一带串列叶栅扩压器的离心压气机级进行了数值模拟,分析了串列叶栅扩压器后排叶片不同周向位置对压气机级流动及性能的影响.结果表明:串列叶栅扩压器性能优于单列叶栅扩压器,其后排叶片在不同周向位置处效率和压比均优于单列叶栅扩压器,效率提高幅度能达到1.9%,压比的提高幅度为2.85%.串列扩压器分流叶片的周向位置对其内部流动情况有显著影响,两排叶片之间存在一个最佳位置使扩压器损失最小.串列叶栅扩压器的主要损失集中在50%叶高以上的区域.      

离心压气机进气流场研究及控制

对某车用增压离心压气机进行了三维数值模拟,研究了离心压气机设计点和不同转速下近喘振点进气流场,基于此提出了离心压气机进气轮盖导叶流场控制措施并进行了验证实验.研究表明:离心压气机近喘振点压力面与吸力面压力差异影响到进气流场,导致进气口轮盖附近出现与叶轮转向相反的切向速度;且从低转速到高转速,该与叶轮转向相反的切向速度逐渐增大;离心压气机设计点进气在叶片压力面和吸力面前分别形成与叶轮转向相反和相同的切向速度区域,该区域不限于轮盖附近.轮盖导叶的流动控制方法可以有效抑制近喘振点切向反速度,实验结果表明,轮盖导叶使得离心压气机整体性能得到了提高,在90000r/min近喘振点压比提高了3.4%,效率提高了3.0%.      

基本级叶片扩压器扩压度改进的闭式试验研究

为研究真实气体条件下改进叶片扩压器扩压度对级性能的影响,基于真实气体闭式试验,对用于单轴多级离心压缩机的某基本级进行了扩压器入口安装角度调整,采用两种试验气体N_2和CO_2,对调整后的基本级进行了真实气体闭式系统下的性能试验。试验结果表明:在真实气体闭式系统下,通过扩压器入口安装角度调整,叶轮和叶片扩压器匹配得到优化,基本级性能得到改进,基本级的能头系数增大1.86%,多变效率提高1.10%,喘振和阻塞裕度均有所改善。同时,两种试验气体N_2和CO_2下基本级的无量纲性能偏差很小,表明无量纲性能是基本级的特性。     

叶尖间隙分布对内燃机增压压气机性能影响

采用三维CFD(计算流体动力学)方法,对两种相反叶尖间隙分布方式的无叶扩压器压气机级进行了详细流场分析,研究了叶尖间隙分布对跨声速离心压气机叶轮及扩压器性能的影响机理.结果表明,非均匀分布弦向间隙分布叶轮有较宽的稳定工作范围;出口轴向间隙小于进口径向间隙的压气机级压比和效率明显高于出口轴向间隙大于进口径向间隙的压气机级.较小的出口轴向间隙削弱了叶轮通道后半段间隙流动,显著提高了叶轮后部做功能力,获得更高的级压比;并使叶轮后部间隙涡强度及涡在叶轮通道和扩压器通道内耗散损失小,压气机级效率更高.      

离心压气机无叶扩压段流路控制扩稳机理

为寻求叶轮-扩压器间无叶扩压段流路控制的扩稳机理,选取某离心压气机为研究对象,利用数值模拟的方法,通过流场分析解释其失速机理,并在此基础上重新设计无叶扩压段机匣结构,探讨一种有效流路控制扩稳方式.分析结果表明:将无叶扩压段机匣结构设计为先收缩后扩张型后,离心压气机稳定工作范围提高了2.8%,但绝热效率有所降低.      

离心压气机通流反问题的损失模型研究

在使用无粘性控制方程组加熵方程的准三维流线曲率法S_2,m流面反问题的离心压气机设计系统中,必须引入关于转子、静子以及无叶扩压段的流动损失模型.经分析首先选择了Galvas M.R.的模型作为原始模型.其次对该一维模型进行了适合于现代准三维计算技术的改进.再则提出和尝试了在通流程序中调用损失模型的一种新方法.改进后的损失模型的功能被扩展,不但根据叶片排之间界面参数的变化给出相应的出口损失量,而且将熵增分布到所有通流计算站上以影响速度场的积分,满足了通流方法的需求并更贴近真实流动.改进的模型的损失预估效果达到了工程实用的程度.将有待工程或实验的验证.      

扩压器对基本级性能的影响

使用数值方法和试验手段研究了带无叶扩压器和不同进口安装角的叶片扩压器对基本级的性能影响.针对带无叶扩压器的基本级，重点研究了近喘振点、设计点、近阻塞点3种工况的内部流动特性，结果表明近喘振点的叶轮叶片进口、叶轮叶片出口、回流叶片背面均存在低速涡流区，而设计点和近阻塞点的流动状态良好，对于近阻塞点，流动速度较大引起的摩擦阻力损失增大，导致了基本级多变效率下降很快；对带单圆弧叶片扩压器的基本级，细致地研究了匹配不同进口安装角的单圆弧叶片扩压器对喘振裕度、阻塞裕度和效率的影响，结果表明:在出口安装角不变的情况下，扩压器进口安装角比设计值降低3°，基本级的多变效率和多变能头系数达到最佳值.      

压气机初始设计中端区堵塞模型的建立和数值验证

根据扩张管道边界层理论,从边界层动量积分关系式出发,提出了用于轴流压气机初始设计的端壁区堵塞发展模型。应用该模型,可以在初始设计阶段方便地预测压气机端壁区堵塞的发展。通过对轴流压气机扩压叶栅的数值模拟,将模型预测值与数值模拟结果进行对比分析,验证了该模型的准确性和适用性。     

离心压气机管式扩压器研究进展及评述

紧凑高效的扩压器设计非常具有挑战性,成为制约高压比离心压气机应用于工程实际的主要技术障碍。管式扩压器是解决高压比离心压气机扩压器设计难题的有效手段。目前管式扩压器已经在国外先进中小型航空发动机中得到了应用,有效地提升了离心压气机性能。本文从管式扩压器设计参数对压气机性能的影响以及管式扩压器内部复杂流动机理研究两个方面对管式扩压器的国内外研究进展进行了回顾,讨论了管式扩压器内部流动机理及其对离心压气机性能的影响,并指出了管式扩压器研究的发展趋势。     

Experimental investigation of characteristics of instability evolution in a centrifugal compressor

The stable range of operation for the centrifugal compressor significantly influences the dynamic, economic, and environment-friendly characteristics of power systems. A deep understanding of the characteristics of instability evolution is necessary to improve the compressor stability. A centrifugal compressor equipped with a vaneless diffuser is experimentally investigated using highresponse static-pressure measurements. The results obtained indicate that three typical rotationalspeed ranges ex...     

Receptivity and structural sensitivity study of the wide vaneless diffuser flow with adjoint method

The stability of the flow in the vaneless diffuser of a centrifugal compressor is studied with the linear theory. The characteristics of direct and adjoint perturbation modes are investigated, and the receptivity of the instability mode to momentum forcing or mass injection is identified based on the adjoint modes. Analysis shows that the perturbation with the largest amplitude is located at the outlet of the vaneless diffuser, while the highest-receptivity region is located in the middle of the vaneless diffuser along the radial direction. The large difference between the direct and adjoint modes indicates that the instability mechanism cannot be identified from a study of either eigenmode separately. Therefore, the structural sensitivity analysis is adopted to study the feedback of the instability mode. The structural sensitivity of the eigenvalue which is proportional to the perturbation pressure and velocity is used to explain the mechanism of flow control for the vaneless diffuser.     

一种离心压气机性能仿真数学模型

阐述了一种能够达到设计精度要求的快速简单离心压气机性能仿真数学模型,模型中计及离心压气机内出现的各种损失,采用迭代方法计算几个划分截面上的子午速度。为了保证计算精度,叶轮出口和扩压器间流动划分成多段交错网格进行计算。采用建立的数学模型对 Krain离心压气机叶轮性能进行了模拟,并把计算结果同三维 N-S方程的计算结果进行了比较。结果表明,采用建立的仿真模型能够用来模拟离心压气机叶轮性能,为设计离心压气机提供了一个有利的工具,而且对带有涡轮增压器的内燃机设计具有重要的实际意义。