离心压缩机叶片载荷分析

 本文通过对常用叶片载荷型式的分析,推荐一种较理想的叶片载荷型式,并展示高效叶轮的设计实例。 根据欧拉方程,对于理想流体的绝热流动,单位质量流体通过叶轮所获得的功可用理论能量头h_(th)表示:     

叶轮机械叶片弯掠气动技术研究进展

叶片弯掠技术在叶轮机械设计中的应用,使叶片通道流场的稳定性得到了明显改善,叶轮机械的工作效率得到了显著提升,越来越引起研究者的重视。结合近年来在叶片弯掠气动技术领域开展的研究,详细综述了国内外叶片弯掠技术在叶轮机械设计中的研究进展。首先,回顾了叶片弯掠气动技术的发展历程,将叶轮机械叶片的设计分为3个阶段,分别是直叶片、扭叶片和以弯扭掠为主要特征的空间叶片,并指出以弯扭掠为主要特征的第3代叶片虽然已经得到应用,但仍有很多问题还没有完全解决。然后,分析现有研究中对叶片弯掠的定义,指出其本质均是在直叶片的基础上,通过移动叶型积叠点的位置使叶片产生弯曲或扫掠的效果,进而拓展叶片的设计空间。其次,综述了叶片弯掠对流场的影响,并归纳总结其作用机理是通过改变叶片对气流的作用力在径向的分量,实现叶片载荷和流量沿叶展的再分配,进而控制低能流体微团的输运,减小二次流损失。最后,对叶片弯掠气动技术在今后的发展方向进行了展望。该研究为叶轮机械叶片弯掠气动技术的进一步研究提供参考。     

分流叶片位置对高转速离心压气机性能的影响

运用三维粘性流动数值计算程序FineTM/Turbo对叶顶间隙泄漏存在时带分流叶片的高转速离心压气机模型级内部流动进行了数值模拟,重点分析了分流叶片不同起始位置及不同周向位置对压气机级内三维粘性流场及整级性能的影响.计算中采用Jameson的中心差分格式结合Baldwin-Lomax代数模型使用时间推进法求解雷诺平均N-S方程,计算模拟了模型级内部复杂的三维粘性流动过程及气体参数分布的详细结构和规律.计算结果表明:采用分流叶片在进口段会减少叶片阻塞,从而使更高的质量流量可以流经叶轮;分流叶片起始位置位于Ⅲ时,两个通道叶轮出口处速度分布最均匀;分流叶片越短,长叶片压力面无量纲静压载荷越大.当分流叶片长度达到某一数值后,长叶片载荷变化趋于平缓.分流叶片位于不同周向位置时,IBSA叶轮的模型级效率最高,压气机性能最好.     

亚声速半开式离心叶轮叶顶间隙的流动特征

针对半开式离心叶轮的间隙泄漏和间隙气流对气动性能的影响,采用数值方法分析了3种叶顶间隙值下叶轮的气动性能、设计工况下的叶片载荷分布、间隙流动气流角以及泄漏涡的分布特征.结果表明:叶轮叶片表面的压力分布规律不受叶顶间隙的影响,但叶片载荷在叶片的中后部有不同程度的减小;间隙处的内泄漏流动本身引起的流动损失较小;与零间隙相比,间隙处的内泄漏气流对流道前半段主流的影响甚微,但在流道中部以后,间隙流扰乱了主气流方向,并在叶顶吸力面附近形成涡流聚集区,造成明显的熵增,带来不可忽视的能量损失.希望所得结果能为建立半开式离心叶轮的间隙气动模型提供参考.      

基于非均匀余量的整体叶轮加工工艺优化策略

针对超薄结构叶片整体叶轮在制造过程中叶片产生较大的变形和切削振动,使用非均匀余量加工工艺方案,减小叶片变形提高加工质量。分析了集中载荷对薄壁结构和加厚结构变形的影响,对生产中的叶轮叶片进行非均匀余量加工工艺设计,依据优化后的工艺对叶轮进行刀具轨迹规划并进行加工试验,结果显示该工艺优化策略能有效减小超薄叶片的铣削振动和铣削变形,最大误差优化率为54.47%,平均误差优化率为52.57%,对类似高度与平均厚度比值较大且叶片扭转曲率较大的复杂零件的实际加工有一定的指导意义。     

采用基于神经网络及遗传算法的叶轮机械叶片三维优化设计方法开发高载荷透平动叶片

为了提高透平的内效率及降低制造成本，采用基于神经网络及遗传算法的叶轮机械叶片三维优化设计方法，开发了一种高载荷动叶片。该叶片是以5个截面的重心沿径向积叠而成。每个截面的内背弧是以基于叶型中弧线的Bezier曲线来构造。三维流动分析表明，新叶片提高效率0．5％。通过减少叶片数约15％，新开发的高载荷动叶片不仅有效地提高了透平的内效率，同时降低了透平重量和制造成本。     

民用发动机附件风扇叶轮疲劳寿命数值分析

叶轮疲劳寿命是影响风扇寿命的关键因素,鉴于风扇叶轮低循环疲劳试验周期长、成本高,在叶轮结构前期设计时,对某型叶轮低循环疲劳寿命进行数值分析,根据仿真分析结果初步预估叶轮寿命,给后期的叶轮疲劳寿命试验提供一定参考依据。仿真主要通过对风扇流场、叶轮强度、疲劳及叶轮模态进行分析,得出风扇流场和结构气动载荷下分布云图、叶轮离心、气动、离心气动耦合载荷下应力云图及叶轮前六阶模态云图。结果表明：离心叶轮工作时受到主要载荷为高速旋转时离心载荷,气动载荷对叶轮结构的影响相对较小;在离心气动载荷耦合的情况下,叶轮在19 955 r/min工作转速下的vonMises等效应力及最大应力为21.25 MPa,远小于叶轮结构材料2A70 T6屈服强度204 MPa和疲劳强度102.6 MPa,评估出叶轮结构在整个寿命期内不会发生屈服失效、疲劳失效,能够满足60 000次低周循环疲劳寿命的要求。在静态分析基础上探讨了不同转速下叶轮的动态特性,并绘制叶轮模态特性随转速变化的Campbell图,给出共振风险点,为后续综合考虑动态、静态特性对叶轮疲劳寿命影响奠定基础。     

斜流扩压器任意中弧线造型3维弯扭叶片设计

为了改善扩压器与叶轮之间的气动匹配,针对斜流/离心叶轮出口复杂的3维流动,以及扩压器叶片不同展向位置气动 负荷分布特征,提出基于任意中弧线造型的扩压器3维弯扭叶片设计方法。该方法在根据叶轮出口流场优化扩压器叶片攻角的 同时,通过对造型截面中弧线任意调整实现扩压器叶片载荷分布和局部流场细节的优化。以某高压比斜流压气机为平台,采用上 述方法完成了对其斜流扩压器的改进设计。3维数值模拟结果表明：与原方案相比,扩压器改进后斜流压气机设计点至近喘点范 围内效率提升约0.3个百分点,设计点流量基本不变,设计转速喘振裕度增大1.0个百分点,在设计点及近喘点状态下扩压器通道 流场均得到了改善,同时改进后扩压器的叶片数由21片减少至19片。     

叶片数对微型斜流叶轮性能的影响

采用计算流体力学软件NAPA对叶片数不同的跨声微型斜流叶轮流场、性能进行了模拟,研究表明随着叶片数的增加,叶片载荷减小,叶背分离减小,叶片通道内流动改善,但叶片进口低压区域占叶片通道的比例增大,当叶片数增加到一定程度时主叶片不能全程加载.随叶片数的增加叶轮工作特性曲线左移的同时先上移后下移,通过与常规离心压气机最佳叶片数研究结果的对比表明,低雷诺数、微尺度效应及叶片占通道比例大使所研究微型斜流压气机的最佳叶片数略低于已有经验.      

微小整体叶轮五轴联动微细铣削加工试验研究

微小整体叶轮作为微型发动机的重要组成部分,其加工质量直接影响微型发动机的使用性能。针对微小整体式复杂叶轮流道狭窄、叶片扭曲大和长厚比大等特点,开展了微小复杂扭曲整体式叶轮五轴联动微细铣削加工方法研究。针对微小叶轮加工过程极易发生变形、过切和碰撞干涉等问题,对微小叶轮的加工过程进行工艺规划,建立了微小叶轮流道加工刀具选择的约束方程,计算出叶轮加工刀具的最大理论直径。通过CAM软件对叶轮进行切削仿真,验证了刀具选择和工艺规划的正确性。通过五轴联动微细铣削试验,得到了具有6个直径10mm的叶片、叶片最小厚度0.15mm、叶片最小相邻间距0.58mm的7075铝合金微小整体叶轮。     

三维环境下离心/斜流压气机二维叶型优化设计

考虑离心/斜流压气机转子叶片通道内流动的强三维性,提出在三维环境下进行二维叶型优化设计.通过对能量方程中黏性耗散项改进,解决了Denton黏性体积力方法模拟离心/斜流叶轮三维流场效率偏高的不足.将改进流场计算模块与并行遗传算法寻优模块相结合,构成离心/斜流压气机二维叶型优化设计软件.采用所研制的软件,分别对离心叶轮和斜流叶轮叶尖处叶型进行优化设计.优化叶片基本达到目标流量和压比,在整个工作范围内效率都提高明显:在设计点离心叶轮效率由0.938提高到0.947,斜流叶轮效率由0.899提高到0.918.      

掠型设计调控跨声速离心压气机内部流动机理

跨声速离心压气机面临进口激波控制的难题,探索前缘掠型对跨声离心压气机影响机理对于进一步提升离心压气机性能具有重要意义。以两台跨声速离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟手段探究了不同前缘掠型下压气机的性能及流场变化。结果表明:设计工况下叶轮入口的激波位置直接决定了前缘掠型设计的作用效果。掠型设计通过改变导风轮叶顶载荷分布,进而影响其通流能力,同时改变了其入口激波结构和流动损失。当叶轮入口叶顶激波呈吞入状态时,采用前缘后掠会减弱槽道激波强度,从而减小导风轮叶顶附近损失;当叶轮入口叶顶激波呈脱体状态时,采用前缘前掠会减弱前缘激波强度,使得激波更加附体,从而减小导风轮叶顶附近损失。      

向心透平叶片角动量分布的优化

 以n条子午流线,给出满足约束条件的各自角动量分布的若干不同组合构成初始复合形,做复合形每一顶点处该向心透平叶轮S2 流面与跨叶片面势流场分析,并以二元紊流边界层动量厚度计算经三元修正,分析叶轮效率,最终使复合形法成功应用于向心透平叶片角动量分布的优化。该方法也适用于离心叶轮中叶片加载量的优化。     

复杂非圆管流动与换热特性实验研究

本文研究了 S型这一非圆通道 ,得到了其流动特性 ,平均换热特性和局部换热特性的准则方程。发现由于其几何形状复杂 ,不但很难确定其定型尺寸 ,而且带来了流动和换热情况的复杂性 ,构成一个“多尺度”、“多流态”问题。文中还指出它与其简化成矩形管处理结果的差异 ,以及在流动和换热特性上的许多新特点 ,对非圆管流进一步研究 ,提出了新问题     

1 种基于Kriging 近似模型的叶片罩量优化设计方法

在航空发动机叶片设计过程中,需要进行叶片罩量优化来减小多种载荷引起的弯曲应力,改善其应力状况。为了提高叶片罩量优化设计效率,根据Kri gi ng近似模型和试验采样技术,提出了1种叶片罩量优化设计方法。利用序列采样方法逐步改善近似模型预测精度,然后在近似模型上进行全局寻优。结果表明:该方法简单易用,通过构造近似模型代替真实的物理模型,降低了计算成本,提高了优化效率。优化后的叶片最大等效应力减小了12.43%,有效地减小叶片的峰值应力。     

压气机叶顶泄漏流振荡周向传播特性的数值模拟

通过对一低速轴流压气机转子的叶顶泄漏流的振荡特性进行数值研究,发现在大流量工况下,叶顶流场随时间不发生变化.随着流量减小,叶顶流场逐渐产生脉动,同时叶顶泄漏流发生周期性振荡,表现为叶顶泄漏涡的产生位置、涡结构形态及撞击在相邻叶片的位置随时间发生变化.叶顶泄漏涡及其导致的脱离涡会导致相邻叶片表面产生低压区,因此叶顶泄漏涡的振荡导致了叶片顶部压力分布的脉动,进而影响了相邻流道叶顶泄漏流的产生.这个叶顶泄漏流与相邻叶片的干涉作用是叶顶流场产生振荡的主要原因.而且,叶顶泄漏流在相邻流道间的振荡状态存在相位延迟,这导致了一个以非叶片数为周期的流动扰动结构绕转子旋转.      

一种基于CFD的叶轮机非定常气动力组合建模方法

为了获得一个准确高效的非定常空气动力学模型并将其应用于叶轮机叶片颤振特性分析中去,论文发展了一种基于CFD方法的叶轮机非定常气动力组合建模方法,可以快速计算叶轮机叶片在等相角差振动时的气动阻尼系数。运用小扰动流场的叠加原理,通过不同通道数模型的非定常流场求解(通常需要两次或三次),针对流场的周期性边界条件,组合分析得到一系列更多通道数情况下的非定常气动力低阶模型。基于这种降阶模型计算的气动阻尼系数与直接的CFD方法计算结果吻合很好,计算效率提高10倍以上。     

静-转叶排轴向间距对某跨声速压气能的影响

对两种轴向间距下某跨声速轴流压气机静子-转子叶排间的流场进行了定常数值模拟,结果表明:在大流量工作状态下,近轴向间距时的效率较远轴向间距时有明显降低;在高负荷工作状态下,两者的效率相差不大.对大流量工况点与高负荷工况点的流场非定常数值模拟结果表明:近轴向间距时转子前缘激波对上游静子叶片附面层的干扰要强烈的多;近轴向间距时上游静子尾迹对在高负荷工况点动叶叶尖处出现的二次泄漏有更强的抑制作用,能更有效的减弱叶尖泄漏流造成的堵塞和损失.      

直纹面叶轮刀具轨迹规划的研究(英文)

At present, most commercial computer-aided manufacturing （CAM） systems are deficient in efficiency and performances on generating tool path during machining impellers. To solve the problem, this article develops a special software to plan cutting path for ruled surface impellers. An approximation algorithm to generate cutting path for machining integral ruled surface impellers is proposed. By fitting sampling data points of an impeller blade into a curve, a model of ruled surface blade of an impeller is built up. Furthermore, by calculating the points where the cutter axis vector intersects the free-form hub surface of an impeller, problems about, for instance, the ambiguity in calculation and machining the wide blade surface with a short flute cutter are solved. Finally, an integral impeller cutting path is planned by way of an integrated cutter location control algorithm. Simulation and machining tests with an impeller are performed on a 5-axis computer numerically controlled （CNC） mill machine, which shows the feasibility of the proposed algorithm.