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双级离心压气机气动分析与优化设计

吴世勋  
【摘要】:离心压气机作为主要的增压部件被广泛应用于微小型燃气轮机,随着人们对动力需求的不断提高,单级离心压气机己经不能满足高循环压比的要求。与多级轴流压气机相比,双级离心压气机具有重量轻、体积小和功率密度高的特点而越来越受到重视。虽然双级离心压气机的研究工作早已在一些发达国家展开,且一些高性能双级离心压气机已经投入应用,但由于其本身结构复杂和设计难度大,我国对双级离心压气机的研究尚处于起步阶段。 本文利用数值模拟方法对应用于某微小型燃气轮机的闭式双级离心压气机进行气动分析与优化,并对原型机设计改型,形成两套设计方案,同时对叶片扩压器安装角与叶顶间隙对离心压气机流动及性能的影响进行详细深入研究,主要研究内容如下: 1.对双级离心压气机进行数值模拟,详细研究低压级与高压级的变工况特性及在设计转速下的整级特性,并对各部件的流动特点进行研究,分析影响双级离心压气机效率与喘振裕度的因素。 2.由于原型机径向扩压器流动损失较大,因此对叶片扩压器进行研究,分析不同安装角对高负荷离心压气机流动及性能的影响。 3.在不改变原型机端壁型线的前提下,重点对低压与高压径向扩压器进行叶型优化,优化方案在设计转速下较原型机性能有重大提升,设计点工况效率提高2个百分点,喘振裕度大幅增加,达到优化目的。 4.以原型机的气动分析与优化为基础,充分参考其特点与优点,对原型机设计改型形成闭式设计改型方案。与原型机相比,设计改型后的闭式双级离心压气机在设计转速下流量范围更广,设计点工况效率略有提高,且喘振裕度增大,达到设计改型目的。 5.间隙泄漏流动对离心压气机性能有较大影响,提供半开式设计方案之前,首先对叶顶间隙对离心压气机流动及性能的影响进行研究。 6.以闭式设计改型方案双级离心压气机为基础,考虑叶轮顶部间隙对离心压气机通流能力和工作裕度的影响,设计改型形成半开式设计改型方案。与原型机相比,设计改型后半开式双级离心压气机设计点工况效率有所降低,但其总压比提高,且具有更大的喘振裕度,基本达到设计目的。


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