高负荷离心压气机管式扩压器特点及机理分析

以某高负荷离心压气机为研究对象,进行管式扩压器设计,借助于数值模拟的方法,对影响扩压器性能的重要参数--喉部面积进行参数化研究,并详细分析了管式扩压器特殊的进口结构对压气机内部流场的影响,初步探讨了管式扩压器喉部设计准则,摸清其提高效率扩大稳定工作范围的机理.     

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。     

喉部长度和扩张角对离心压气机管式扩压器影响研究

针对带楔形扩压器的高负荷离心压气机,利用数值模拟手段对其进行了研究,计算获得的离心压气机特性与试验结果符合较好。在此基础上,设计了具有不同喉部长度和扩张角的管式扩压器,利用经过校核的数值模拟手段对管式扩压器的喉部长度和扩张角进行了参数化研究。研究发现较长的喉部会使压气机设计点的性能下降,但是却可以抑制近失速点扩压器内的流动分离,喉部长度与喉部直径之比为0.5时综合性能较优;较大的扩张角会造成扩压器内流动分离,增加流动损失,扩张角由4°增加到12°时压气机效率降低了约3%。     

高负荷离心压气机扩压器叶片前缘开槽流动机理研究

扩压器前缘几何结构直接决定着扩压器的性能和内部流场特性,为进一步拓宽离心压气机的稳定工作范围,以高负荷离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟方法开展扩压器叶片前缘开槽流动机理研究,详细讨论了扩压器开槽对压气机性能及内部流动影响的机理。研究结果表明,扩压器叶片前缘开槽能够在保证离心压气机性能基本不变的前提下,使其失速裕度提高13.5%,与原型扩压器相比,扩压器叶片前缘开槽所诱导的间隙泄漏流能有效抑制扩压器通道内的流动分离,从而提高了离心压气机的稳定裕度。     

叶片式径向扩压器负荷分布影响

以某典型负荷离心压气机径向扩压器为例,采用数值模拟的方法,在级环境下分析了径向扩压器前加载、后加载以及叶根前加载叶尖后加载三种负荷分布对离心压气机总体性能的影响;并通过对比分析扩压器内二次流等参数,讨论了负荷分布影响的内在机制.对比计算结果表明,叶根前加载叶尖后加载的负荷分布形式能够降低扩压器的流动损失,对离心压气机的...     

高负荷离心压气机扩压器叶片前缘结构分析

为拓宽离心压气机稳定工作范围,以某高负荷离心压气机为研究对象,对径向扩压器叶片前缘进行盘侧开槽处理,借助数值模拟手段,探讨了开槽处理对离心压气机性能和稳定工作范围的影响,并对开槽结构进行了参数化研究,确定了主要开槽参数对离心压气机的影响.数值计算表明,径向扩压器前缘盘侧开槽能够在一定程度上提高离心压气机的稳定工作裕度,但同时伴随着压气机性能的降低.详细对比分析了开槽结构引人前后离心压气机内部流场结构,揭示了径向扩压器叶片前缘开槽提高离心压气机稳定工作裕度机理.     

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。     

三种离心叶轮超声扩压器性能对比分析

采用数值模拟方法对匹配三种扩压器的离心压气机性能进行分析和对比,分别是楔形扩压器、单圆弧扩压器和串列叶栅扩压器。研究结果显示,对于进口超声和叶片较短的扩压器,串列叶栅扩压器性能表现最优,其次是单圆弧扩压器,楔形扩压器性能最差。     

跨声速扩压器设计及性能分析

对一种用于涡轮基组合发动机的扩压器进行了型面设计和性能分析.该扩压器进口与二维超声速进气道出口相连.设计过程中,将扩压器分为进口段、二维扩压段和出口等截面段,采用几何方法设计,并采用CFD数值模拟方法计算了扩压器流场,从设计和计算结果可以看出,扩压器出口总压和马赫数分布随着出口等截面段长度的增加而变得均匀,出口静压提高使得位于二维扩压段的正激波前移,在设计要求的反压范围内,正激波一直处于喉部之后,符合扩压器的设计要求.最后本文分析了采用"中襟翼"法控制流动分离并提高扩压器性能的方法.     

离心叶轮与扩压器相互干扰数值模拟

采用定常与非定常数值模拟方法,对某小型离心压气机进行数值计算,首先比较了定常结果与非定常时均结果的特性;然后结合离心叶轮出口和径向扩压器进口典型位置非定常压力脉动的频域特性,研究了离心叶轮与扩压器之间的转静干涉作用;最后着重分析了离心叶轮带与不带分流叶片对径向扩压器进口压力脉动频率特性的影响。结果表明:在相同流量下,非定常时均结果的压比偏高约3.7%,效率偏高0.1%;在带有分流叶片的离心压气机中,离心叶轮叶片出口与扩压器叶片进口的脉动除了叶片通过频率的非定常脉动外,分流叶片尾缘会产生与之强度相当的2倍叶片通过频率的非定常压力脉动。同时,分流叶片会对径向扩压器进口产生更强的0.5倍叶片通过频率非定常压力脉动,这些频率的非定常压力脉动很可能会对离心压气机叶片的疲劳强度造成影响。     

二元超声速进气道扩张段内伪激波特性

针对一种二元超声速进气道扩张段内伪激波特性，采用数值仿真方法对扩张段长度、扩张比和中心线偏距等参数的影响规律进行了研究。结果表明:在研究范围内，扩张段长度与扩张比对扩张段内伪激波特性影响较大，中心线偏距影响较小；扩张段长度与扩张比均会影响激波串长度及分离区的大小，从而对伪激波性能产生影响；基于一系列扩张段型面的仿真数据，给出了一个最大扩压性能对应的最佳扩张比的简单线性拟合公式。上述研究结果对超声速进气道扩张段设计具有参考价值。      

扩散角对汽车风洞扩散段流动的影响

传统的汽车风洞设计一般参考现有风洞的设计经验和沿用工程估算方法。扩散段是汽车风洞的主要部件之一,它的设计经验和估算方法通常基于均匀来流。笔者采用v2f湍流模型研究两种非均匀来流工况下,不同扩散角对扩散段流动的影响。模型风洞扩散段出口速度分布的数值模拟结果与试验结果的一致性表明：使用v2f湍流模型能够真实反映扩散段流动特性。与均匀来流相比,非均匀来流大幅度增加扩散段总压损失因数,约增加420%。壁面摩擦损失和流动分离损失的相互作用使风洞扩散段在某一扩散角下存在最小总压损失因数,且扩散段进口速度不均匀度越大,最优扩散角越大。     

支撑板结构对燃气轮机排气扩压器气动性能影响的数值研究

支撑板结构直接影响燃气轮机排气扩压器的气动性能。采用求解三维RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）的方法，在考虑燃气涡轮末级叶片导致的气流预旋的条件下，探究了支撑板的数目、轴向位置、倾斜角度这三个几何参数对排气扩压器气动性能的影响，并基于正交试验原理，探究了不同几何参数对排气扩压器气动性能影响程度的差异。结果表明：支撑板数目的减少和轴向位置更靠近出口可以有效提升排气扩压器在不同进气预旋下的静压恢复系数，支撑板的倾斜设计在进气预旋小于0.48时，能有效提升排气扩压器的静压恢复系数，但在进气预旋大于0.48后，则会带来不利影响。基于正交试验原理的数值计算则表明，在进气预旋为0.12时，支撑板数目、轴向位置、倾斜角度三个因素变动对排气扩压器静压恢复系数的影响相近，进气预旋为0.35时，三者对静压恢复系数影响的贡献率分别为40.2%，30.9%，7.3%。进气预旋为0.89时，三者的贡献率分别为32.3%，22.2%，19.8%。     

任意边界扩压器内紊流流动的时间推进数值计算

研究了隐式ＡＦ有限差分理论。指出薄层抛物化控制方程中的右端粘性项是主元素变量矢的一个简单线性函数。给出了任意边界扩压器内紊流流动的数值计算结果，并和实验数据进行了对照。两者吻合得相当好。研究结果对ＡＦ有限差分理论以及推广至三维复杂管道内的非定常流动计算具有重要的参考意义。     

极限条件下的大角度扩散段优化设计数值模拟

为提升某低速风洞大角度扩散段静压恢复性能,降低总压损失至分流隔板的水平,采用计算流体动力学(CFD)方法对该扩散段不同设计方案进行了模拟.采用阻尼网能有效抑制分离,阻尼网布置位置和开孔率对大角度扩散段内的流动状态和总压损失有很大影响.使用直线壁面扩散时,由于扩散角过大,第1层阻尼网对抑制大角度扩散段入口分离效果很弱,总压损失无法达到预期设定指标.采用三次曲线壁面扩散时,总压损失明显降低,小于预期指标,但存在小范围的分离.分级扩散能有效降低总压损失,按照最大静压恢复设计的分级扩散段,避免了入口的气流分离,能大幅度降低总压损失.对分级扩散的进一步研究表明,按照最大静压恢复设计的第1级扩散段扩散角已达到上限,为抑制第3级扩散段的分离,缩短第2级扩散段,减小第3级扩散段扩散角的方法是合理的.通过对不同方案流态的比较得出了最佳的参数匹配,总压损失指标达到了设计要求.因此采用数值模拟能够获得最佳的大角度扩散段设计结果.      

TBCC进气道涡轮通道扩张段设计及涡轮模态特性

采用拓展中心线、不同的流通截面面积变化规律和倒圆半径变化规律对内并联型TBCC（turbine based combined cycle engine）进气道涡轮通道扩张段进行了设计.通过数值模拟的手段,对涡轮通道扩张段设计参数的影响规律和涡轮模态下涡轮通道扩张段的气动特性进行了研究,并利用高速风洞试验结果对数值模拟方法进行了验证.研究结果表明:中心线控制点纵坐标在1.50~2.25、涡轮通道扩张段出口等直段长度与出口直径比值在0.3~0.7的范围内取值时,涡轮通道扩张段可获得较高的出口总压恢复系数和较小的出口总压畸变指数;采用前急后缓的流通截面面积和倒圆半径变化规律能使涡轮通道扩张段获得较小的出口总压畸变指数;随着飞行马赫数的增加,进气道和涡轮通道扩张段的流量系数先不断减小,在飞行马赫数为0.9附近达到最小,之后又逐渐增加,涡轮通道扩张段出口总压恢复系数不断升高,在飞行马赫数为0.7附近达到最大,之后又逐渐降低;涡轮模态下,涡轮通道扩张段出口总压畸变指数均小于0.5,能很好地满足涡轮发动机对进口流场的要求.      

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.