一种跨声速轴流压气机性能预测的数值方法

采用二维流线曲率法数学方法,考虑到不同因素对落后角和损失的影响,发展了一种适应于跨声速轴流压气机的落后角和损失模型.对轴流跨声速压气机NASA(National Aeronautics and Space Administration)Stage 37进行了数值计算,得到了设计点与非设计点的特性曲线,并与试验数据进行了...     

基于数据驱动的轴流压气机特性图规律及预测

为探索轴流压气机特性线的内在规律,结合数据分析方法和热力学原理,对五十余幅轴流压气机特性数据进行了研究.通过将多种热力学参数引入特性图,并提出了压气机特性描述参数,从各转速峰值效率点连线、近喘振区和近堵塞区3个方面分析了压气机特性中物理量间的规律,发现了压气机特性参数与设计指标间的关联,并依据前述规律发展了基于设计指标...     

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...     

离心式压气机流-热-固耦合分析

利用松散耦合方法建立离心式压气机稳态流-热-固耦合模型,将离心式压气机解耦成气动、传热和结构三个子系统,子系统间存在热、力和变形的传递。由于不匹配的网格划分,利用反距离平均方法构造插值函数实现热与力向结构的传递,采用统一有限元模型实现热-固顺序耦合分析,利用网格重生成技术实现结构变形到气动分析模型的传递。经过3次迭代离心式压气机耦合系统达到收敛。结果表明,分析的离心式压气机内部流-热-固耦合强烈,耦合解法与非耦合解法得到压气机响应存在较大差异,对于多学科耦合强烈的构件,需要考虑学科间的耦合效应反应真实的工作状况。     

Mechanism of stall and surge in a centrifugal compressor with a variable vaned diffuser

To expand the stable operating range of compressors, understanding the mechanism of flow instability at low flow rates is necessary. In this paper, the mechanism of stall and surge in a centrifugal compressor with a variable vaned diffuser is experimentally investigated, where the diffuser blade setting angle can be adjusted. Many dynamic pressure transducers are mounted on the casing surface of the compressor. From the design condition to surge, dynamic pressure data is recorded throughout the gradual process. According to the signal developing status, the typical modes of compressor instability are defined in detail, such as stall, mild surge, and deep surge. A relatively high-frequency stall wave originates in the impeller and propagates to the diffuser, and finally stimulates a deep surge in the compressor. The compressor behavior during surge differs at different diffuser vane angles. When the diffuser vane angle is adjusted, both the unstable form and the core factor affecting the overall machine stability change. A specific indicator is proposed to measure the instability of each component in a compressor, which can be used to determine the best region for stability extension technologies, such as a holed casing treatment, in different compressor applications.     

离心式压气机耦合松弛多学科设计优化方法

为提高多学科设计优化的寻优效率,以离心式压气机为对象,开展了耦合松弛多学科设计优化方法的研究.针对松散耦合方法建立的离心式压气机的流-热-固耦合分析模型,为了避免反复迭代导致的分析、优化时间过长,构建了分层次的离心式压气机耦合松弛优化设计系统.在气动优化中采用全局寻优算法探索系统最优气动设计方案;在耦合优化阶段,综合考虑学科间耦合及相互作用,在气动优化的基础上局部寻优校验气动优化结果并得到最终设计方案.这种不同复杂层次模型的优化设计有效缩减了系统优化设计周期.     

跨声速多级轴流压气机非设计性能预测

基于公开发表的研究成果, 发展了一种适用于跨声速轴流压气机的新型损失和落后角模型, 并进行了3-D的修正, 运用改进的流线曲率法对某两级跨声速轴流压气机进行了数值模拟, 得到了设计点和非设计点的特性曲线.通过计算结果与实验值的比较, 验证了本模型和方法在设计点和非设计点均具较高的精度, 可用于工程计算.      

车用跨声速离心压气机设计

随着内燃机功率密度的提高,需要更高的增压压比.采用全三维气动设计技术,设计了最大压比为4.0的车用跨声速离心压气机(可应用于微型燃气轮机),并将此应用于某型增压器的改进.针对跨声速流动特征,分析了相应的设计原则和方法.与某型发动机的配机试验结果表明,采用新设计的离心压气机后,在额定功率下,油耗下降4.1 g/(kW.h),涡轮进口温度下降35 K.      

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.     

某小型高速离心叶轮的优化设计

针对某小型高速离心压气机叶轮的叶片厚度和子午流道线形进行改形,并利用商用软件Fine/Turbo对改形后的叶轮进行全三维数值计算.计算结果表明:经过优化的叶轮在设计点绝热效率提高2.4%,并且具有较高的稳定裕度.另外,将径流式叶轮改叶轮为斜流式可以减少叶轮出口区域的气流分离,但以降低其扩压能力为代价.      

凹坑深度对高负荷扩压叶栅损失特性的影响

采用经实验校核的CFD方法研究吸力面不同深度的凹坑对高负荷扩压叶栅气动性能的影响。为研究不同凹坑方案对于叶栅损失特性的影响,深度为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6mm,深宽比为0.25的5种凹坑分别被布置在42%~60%轴向弦长处。不同深度凹坑对于减小损失的效果不同。结果表明:深度为0.2mm的凹坑能够使得叶栅出口总压损失降低10.8%。三维球状凹坑通过提高边界层内的湍动能水平,促进边界层转捩,消除了层流分离泡,改善了矩形叶栅的气动性能。     

U型进气管道对某离心压气机性能的影响

采用实验和数值模拟的方法研究了U型管道进气对某离心压气机性能的影响.实验结果显示,相比直管进气,U型管道进气在大流量工况下显著降低了压气机性能,压比、效率的下降量分别可达10%和18%以上.数值分析表明:U型管道进气时,其出口产生静压和总压畸变;压气机下游蜗壳因几何周向不均而存在相应的压力畸变,该畸变沿叶轮槽道向上游传播的过程中与进气畸变发生耦合.这种耦合作用改变了叶轮进口的流场结构,使叶轮槽道流量分布发生变化,叶轮对应畸变区域的熵值增加;同时还改变了叶片表面静压的分布形式,使整个叶轮主叶片的平均载荷增大约8%.      

多级轴流压气机二维性能预测方法

为了满足多级轴流压气机性能预估需求,在一个流线曲率程序基础上开展了经验、半经验关系式研究。通过对文献中的损失模型进行校验及融合,建立了相匹配的损失计算模块,并改进了端壁损失计算方法;研究了利用S₁流面计算修正S₂正问题的方法,解决了基于传统平面叶栅试验数据的攻角、落后角模型与先进技术叶型之间不匹配的问题,继而发展出了一个高精度的S₂正问题计算方法。为了验证计算方法,利用3个不同负荷水平的、经试验验证的多级压气机进行了校验计算。对比表明,发展的程序对多级压气机具有很高的计算精度和稳定性,可用于多级轴流压气机性能分析。     

Validation of a novel mixing-plane method for multistage turbomachinery steady flow analysis

The steady calculation based on the mixing-plane method is still the most widely-used three-dimensional flow analysis tool for multistage turbomachines. For modern turbomachines, the trend of design is to reach higher aerodynamic loading but with still further compact size. In such a case, the traditional mixing-plane method has to be revised to give a more physically mean-ingful prediction. In this paper, a novel mixing-plane method was proposed, and three representa-tive test cases including a transonic compressor, a highly-loaded centrifugal compressor and a high-pressure axial turbine were performed for validation purpose. This novel mixing-plane method can satisfy the flux conservation perfectly. Reverse flow across the mixing-plane interface can be resolved naturally, thus making this method numerically robust. Artificial reflection at the mixing-plane interface is almost eliminated, and then its detrimental impact on the flow field is min-imized. Generally, this mixing-plane method is suitable to simulate steady flows in highly-loaded multistage turbomachines.     

离心压缩机两区域模型改进与验证

离心压缩机一维预设计中,准确的性能预测可以有效地缩短设计周期,提高设计效率。为了提高性能预测的准确性,在传统两区域模型的基础上,引入外界能量输入与叶轮旋转效应,提出一种叶轮扩压度计算模型,并结合无叶扩压器的特点,将两区域模型应用于无叶扩压器性能预测中。通过与文献中已有的实验结果进行对比,验证了改进模型的可用性。对比结果表明:改进的两区域模型有效减少对工程经验的依赖性,可以实现不同压比、不同后弯角离心压缩机性能预测,总体预测精度较高,与实验数据偏差在4%以内。      

高压离心压气机导叶流场的附面层抽吸控制研究

通过数值模拟研究了某小型涡扇发动机离心压气机的出口导叶流场特点,结合拓扑分析方法讨论了附面层抽吸对叶栅性能的影响。结果表明:原型叶栅由于展弦比较小,流动空间狭窄,各种形式的附面层分离相互掺混,恶化了整个叶栅的流动。通过附面层抽吸可以改变叶栅内的分离结构,明显减小吸力面的分离,使得流场结构趋于简单,从而减小损失、提高叶栅效率。     

跨声速离心叶轮负荷分布的影响分析

以某典型负荷跨声速离心叶轮为例,采用数值模拟的方法,在级环境下分析了离心叶轮前加载、均匀加载和后加载三种负荷分布对于离心叶轮总体性能的影响,并通过对比分析离心叶轮内的二次流和熵分布等参数,讨论了负荷分布影响的内在机制。对比计算结果表明,后加载形式的负荷分布对于离心叶轮的总性能比较有利,对于叶轮内部的二次流控制效果较为理想。     

Pareto多目标算法在离心压缩机蜗壳优化中的应用

基于Pareto多目标算法构建了一套针对离心压缩机蜗壳的气动优化系统,该系统集成了参数化建模、ICEM网格划分、CFX计算和CFD组合优化技术.利用该系统以总压损失系数和静压恢复系数为目标变量针对椭圆截面离心压缩机蜗壳进行气动优化设计.优化后的模型与初始模型相比总压损失系数降低11.79%,静压恢复系数升高16.97%,蜗壳内部二次流减少,蜗壳与叶轮更加匹配,表明该方法能够有效地提高离心压缩机的整体性能.      

无阀式脉冲喷气发动机性能预示简化模型

通过分析无阀式脉冲喷气发动机工作循环,建立发动机工作过程的简化物理数学模型.获得了进气过程的燃烧室流动方程以及平均排气速度与燃气热力参数和燃烧室压力之间的关系,进而给出发动机工作频率和平均推力表达式.结果表明:无量纲平均排气速度随压缩比p_max/p₀的增加而增加,且趋势变缓;工作频率和平均推力的预测值与实验值的误差分别不超过10%和±17%;此外,获得的推力公式对有阀式发动机也有一定适用性.研究表明:对发动机工作过程的简化分析是合理的,简化模型的计算精度在可接受范围之内.所得结论对无阀式发动机的设计、实验、性能预示和优化均有指导意义.      

考虑热传导的微型离心压气机设计与数值分析

为厘米级微型燃气轮机设计了一台直径为26 mm,设计转速为240 000 r/min,设计流量为30 g/s的微型离心压气机,并在壁面绝热条件和壁面等温传热两种条件下,运用CFX软件进行了数值模拟.结果表明,在同样的轴输入功的情况下,壁面等温传热条件下流量比绝热条件减小7.53%,总对总等熵效率降低约18.1%,总压比减小21.7%.在此基础上,考虑热传导对微型离心压气机进行了改进设计,CFX软件分析结果表明,改进后的设计满足微型燃机总体设计要求.