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高速离心叶轮的气动与结构优化

陈丽英  
【摘要】:近年来,离心压缩机不断向高压比、高效率发展。叶轮气动设计的发展直接关系着叶轮机械的发展水平,是叶轮机械气动力学领域研究的重点。半开式离心叶轮因其强度高、极限圆周速度大、单级压比高等优点得到广泛应用。 本文采用反命题设计方法,以某离心压缩机级内闭式离心叶轮为研究对象,以提高其效率、压比和扩大稳定工作范围为目标,通过控制叶片载荷分布改变叶片三维结构、改变叶片前缘位置,探讨和研究了离心叶轮优化设计方法;进而对经典叶轮在叶顶处等值切削形成不同间隙值的半开式叶轮进行数值计算,探究叶顶间隙对半开式离心叶轮气动性能和流场的作用机理。 在对原始叶轮进行数值模拟、明确内部流动特性和气动性能基础上,采用三种措施进行反命题优化设计:1)以原始叶轮子午型线为基础,通过控制叶片载荷分布改变叶片三维结构,进而优化叶轮气动性能;2)确定最佳载荷分布形式,改变叶轮出口宽度,以消除出口气流分离为目的优化叶轮气动性能;3)确立适当的叶片前缘位置,改善流动分离现象并扩大叶轮工况范围。通过数值模拟对设计结果进行气动性能分析,确立叶轮叶片的最佳结构设计参数。优化后的叶轮性能明显提高,高效区域范围显著扩大。 叶顶间隙值是影响半开式叶轮气动性能的关键因素。研究表明,叶顶间隙导致叶轮顶隙损失增大,性能降低,但间隙值与流动损失的变化成非线性关系;恰当的叶顶载荷分布可有效抑制顶隙内泄漏量;顶隙涡流与主流之间的相互作用主要体现在叶轮的中下游流道,引起当地显著地熵增,不同运行工况形成的叶片前缘间隙泄漏涡旋结构与特征迥异;间隙泄漏流动本身引起的流动损失较小,间隙涡流与主气流相互掺混引起的损失是叶轮效率降低的主要原因。 本文研究结果为具有复杂三维结构的离心叶轮的设计提供最优气动与结构匹配参数和优化指导,为高效闭式离心叶轮向大流量半开式应用领域拓展探究流动机理。


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