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带级间冷却的高效两级离心压气机设计

钟榈  
【摘要】:微型燃气轮机具有重量轻、功率大、功率密度高等优点,在军用和民用两方面都具有广泛的应用前景。作为其重要部件,压气机性能好坏直接关系到整机性能。所以有必要对压气机进行深入研究。本文针对某微型燃气轮机带级间冷却的两级离心压气机进行了气动方案设计,并对蜗壳的周向非均匀性影响进行了初步研究。 本文首先改进了课题组的离心压气机一维估算程序使之适用于两级压气机计算,对级间压比分配和转速进行了参数优选。结果显示在两级压气机总压比5.4情况下,第一级压比2.48时整个压气机效率达到最佳。转速计算结果则表明第一级离心压气机效率随转速变化不大,而第二级效率随转速上升而增加。参数优选后确定了两级压气机的基本尺寸和转速。 对两级离心压气机的叶轮、扩压器和蜗壳进行了三维造型设计。基于对各部件多方案三维CFD计算获得的流动性能,分析优选了最终方案。对叶轮和扩压器的联算结果显示匹配工作降低了扩压器的性能,匹配工作时扩压器进口展向的气流角变化较大是造成扩压器性能降低的主因。改进扩压器设计后提高了整级的性能,得到了满足设计要求的压气机三维造型。 由于蜗壳的非轴对称性带来了对扩压器和叶轮内流动性能的影响,本文通过计算得到在整级环境下的完整扩压器和蜗壳内的流动情况。叶片扩压器和蜗舌间构成的流道使气流在其中的流动情况异常复杂,扩压器中近蜗舌的通道凸面(压力面)产生了严重的低速区。扩压器出口射流和尾迹的相互掺混是蜗壳内主要损失源,蜗壳周向角在0到180度时的损失比180到360度大。 在整级计算中将叶片扩压器相对于蜗壳旋转一定的角度形成四个不同方案,探究了扩压器叶片处于相对蜗舌的不同位置时扩压器和蜗壳的相互影响规律。当扩压器的一个叶片与蜗壳的蜗舌相切时,整级的性能最好且只有一个通道存在大分离。其他角度下的扩压器内出现大分离的通道变为两个。蜗壳壁面靠近扩压器出口造成堵塞是大分离产生的主要原因。 针对扩压器内出现的大分离,本文尝试通过减少相邻于蜗舌的扩压器通道内凸面叶片的长度来减少通道内的分离。计算结果表明减少叶片长度能减少通道内的分离区,但对整级性能的影响并不明显,改变扩压器造型后叶轮,扩压器和蜗壳三者性能变化趋势不同。去掉一个叶片能使扩压器内的大分离区消失,此时扩压器的总压恢复系数最高,但出流速度增加造成了蜗壳的损失增加,进一步提升扩压器扩压度、针对性优化蜗壳应可达到提高性能的要求。


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