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跨声速微型斜流压气机设计方法研究

陈杰  
【摘要】:微型涡轮发动机具有重量轻、功率大、能量密度高的优点,军、民用前景广阔。其关键部件之一的压气机在国内外几乎都采用了离心式或斜流式,绝大多数微型压气机级压比都在4以下。提高压气机的增压比可以提高整个循环的热效率,降低发动机的耗油率,增加发动机的推力。因此,本文采用数值模拟与实验相结合的途径针对压比高于4的跨声速微型斜流压气机转静子设计方法进行了研究,主要有以下几方面: 一、初步构建了基于三维流场计算的跨声速微型离心/斜流转子叶轮的设计框架,包括初步设计、子午流道和叶片设计等部分。研究了叶片数、子午流道、叶根载荷分布、叶根叶片厚度分布、叶尖跨声速叶型、分流叶片等参数对叶轮流场性能的影响,根据对比分析初步总结了各参数的设计方法或基本原则,同时完成了直径12cm微型发动机MJ-M1压气机叶轮方案设计,数值模拟表明该叶轮最高压比超过5,绝大多数工作状态下效率高于80%。 二、对一台采用常规形式的微型扩压器M0-A内部流场进行分析,找到了除微型化带来的本质影响以外的造成微型扩压器性能低下的原因,据此提出了保形通道式扩压器,并建立了以气流通道为设计对象的三维设计方法,研究了通道面积分布、通道构造角对保形通道式扩压器性能的影响,研究表明通道面积分布对扩压器性能影响程度大于通道构造角,且先快速增加后缓慢增加的上凸型通道面积分布可以获得较高的性能。实验测得用保形通道式微型扩压器M0-C替代原型M0-A装配于发动机,可以使发动机的推力在最大转速下提高约11%,耗油率降低约9%。对MJ-M1扩压器进行了早期设计,结果表明MJ-M1的初步方案在压力系数大约0.55的情况下获得了高于0.93的总压恢复系数。 三、将所设计压气机方案应用到全新研制的MJ-M1微型涡轮发动机中进行了整机调节试车,通过对丙烷气供给方式、燃烧室与其它部件的匹配、转子轴系统以及发动机机匣等的改进,成功完成了MJ-M1的装配与匹配调试工作。通过对喷管面积的调节,达到了转速12万r/min、推力12kgf的第一阶段试车目标。 四、在整机环境下采用调节发动机喷管出口面积的方法进行了压气机部分流场性能测试,测量分析了叶轮压比特性、扩压器的总压恢复系数特性以及叶轮机匣静压沿程分布,实验表明MJ-M1叶轮压比在80%转速时压比超过了3.2,实验和计算结果的一致程度较高,验证了本文数值模拟的可靠性,并且也验证了MJ-M1叶轮的压比性能。


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