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。     

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设计与计算分析

采用程序化建模方法,对离心压气机管式扩压器的三维几何造型进行参数化设计,并采用定常数值模拟的方法分析管式扩压器内流场特性,攻角特性,对影响管式扩压器性能的几何参数进行分析与优化,同时对照某原型叶片式扩压器,分析传统圆形进口管式扩压器的性能优劣,提出类椭圆进口管式扩压器的概念,并揭示其能够有效提高离心压气机性能的机理.      

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.     

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。     

混合型扩压器流动特点分析

采用定常CFD手段,对比分析了某混合型扩压器及其常规造型扩压器的内部流动特点,着重研究了离心叶轮出口至扩压器喉部之间的流场分布,初步揭示了混合型扩压器以及与其相似的管式扩压器入口段的特殊三维造型的一些流动特点和流动机理。     

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.      

涡轴/涡桨发动机压气机流动特点与发展趋势

首先,介绍了涡轴/涡桨发动机的现状与发展历程以及涡轴/涡桨发动机压气机的主要结构形式与技术特点。其次,从压气机的内部流动特点角度,详细介绍了涡轴/涡桨发动机组合压气机中的轴流级相比大推力涡扇发动机轴流压气机的内部流动特点与流场改善措施,及涡轴/涡桨发动机普遍采用的离心压气机中离心叶轮和扩压器的内部流动及匹配的特点。然后,对涡轴/涡桨发动机压气机内部流动失稳和扩稳措施进行了分析。最后,对未来的涡轴/涡桨发动机压气机的发展趋势进行了展望。     

高压比离心压气机串列叶轮内部流动机理研究

为了探索串列叶轮的设计方法和实际应用,在常规离心叶轮的基础上,利用轴流压气机和离心叶片设计方法实现了串列叶轮设计,借助经过校核的数值模拟手段,对带串列叶轮的离心压气机内部流动进行了详细数值模拟,研究了诱导轮和导风轮之间相对周向位置对串列叶轮内部流场及气动性能的影响。研究表明:串列叶轮的引入能够不同程度改善离心压气机性能,且诱导轮与导风轮之间的相对周向位置对气动性能具有较大的影响,在λs=25%周向相对位置下,串列叶轮的引入使得压气机级综合裕度和峰值效率分别提高了1.3%和1.4%。与常规叶轮相比,合理布局的串列叶轮能够有效控制离心叶轮内部附面层的发展并改善离心叶轮内部流场特性以及离心叶轮出口流场品质,从而有效提高高压比离心压气机的性能和稳定工作裕度。     

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.      

非对称端壁造型对离心压气机性能的影响

非对称端壁造型应用在轴流压气机和涡轮中具有较好的提高效率的作用。为了探究非对称端壁造型对离心压气机性能的影响,借鉴非对称端壁造型在轴流压气机中的设计经验,借助Autoblade和CFX商用软件,设计了四种非对称端壁造型结构,并对带叶片式扩压器的离心压气机展开数值计算研究。研究发现,与原型压气机相比,采用压力面附近为凸曲率形状、吸力面附近为凹曲率形状的非对称端壁造型结构PEW1_10%(profiled end wall 1_10%)可以在保证全工况效率不降低的情况下,使离心压气机的性能曲线向小流量和大流量均有拓展,稳定工作范围扩大11.8%。通过分析流场发现,在近喘振工况,非对称端壁造型PEW1_10%使扩压器通道内流量重新分配,吸力面附近径向速度增大,低能流体减少,改善了扩压器通道的流动状况,进而推迟喘振的发生。     

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.      

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.     

周向稳态总压畸变在多级轴流压气机中传递的逐级模拟研究

基于多级轴流压气机的逐级特性,建立了进口周向稳态总压畸变在多级轴流压气机中传递的逐级计算模型.对总压畸变条件下转子叶片攻角变化、级间周向流动和压气机出口耦合效应进行了数值分析,讨论了周向稳态总压畸变沿轴向衰减、级间周向侧流变化、失稳首发级和压气机出口耦合效应对压气机特性的影响.应用本模型方法对8级轴流压气机进行了详细的数值分析,计算结果表明,该模型方法是合理、可行的.      

Effect of bent inlet pipe on the flow instability behavior of centrifugal compressors

Bent inlet pipes are often used in centrifugal compressors due to limited installation space, and an understanding of the effect on compressor stability is essential for safety and durability. This paper firstly investigates flow instability behaviors in two compressors, one with a straight inlet pipe and the other with an S-shaped bent pipe. In detail, it analyzes the resulting flow fields, instability evolution paths and surge boundaries. The results show that the S-shaped pipe obviously affects the flow field at high mass flow rates, while reverse flow mainly influences the flow field at low mass flow rates. Reverse flow first occurs at certain flow passages with a high pressure difference that is predominantly decided by the volute rather than the S-shaped bent pipe. In addition, centrifugal compressors can tolerate reverse flow to some extent so that surge would not occur immediately if reverse flow occurs unless the reverse flow region extends circumferentially and radially to a sufficiently large size. Since the S-shaped pipe is not dominant in the creation and extension of reverse flow, it does not exacerbate the stability of the central compressor to a great extent. Last but not least, the S-shaped pipe is noted to delay the occurrence of surge at 90% rotating speed, which suggests the possibility of improving compressor stability with bent inlet pipes. This result differs from the conventional understanding that inlet distortion usually deteriorates compressor stability and emphasizes the particularity of centrifugal compressors.     

周向布局对高压比串列离心压气机性能的影响

为揭示周向布局对高压比串列离心压气机性能的影响机制,采用经试验数据确认的数值方法,对串列叶轮在典型周向布局下的性能及流场结构进行了分析。研究表明:周向布局对串列叶轮流动的影响主要体现在后排叶轮的叶顶区域,75%周向位置时压气机级性能最优,25%周向位置时最差;串列叶轮改善离心压气机流场的物理机制为诱导轮压力侧气流对导风轮吸力面附面层的吹除效应,以及导风轮吸力面侧流体对诱导轮尾迹的引射效应;高压比串列离心压气机周向布局的优化应遵循的原则是,在避免诱导轮尾迹与导风轮吸力面发生直接作用的前提下,应采用较大的周向偏置参数。