离心压气机宽无叶扩压器旋转失速的数值研究

无叶扩压器作为离心压气机的重要部件,研究其内部旋转失速的诱发过程及机理对离心压气机无叶扩压器旋转失速的主动控制具有重要意义。利用ANSYS平台对离心压气机建模并对其旋转失速过程进行非稳态数值模拟。结果表明:离心压气机无叶扩压器旋转失速是随着流量的逐渐减小建立起来的,失速工况点位于性能曲线的负斜率区;无叶扩压器内部,低速区靠近扩压器盖侧,高速区靠近扩压器盘侧;宽无叶扩压器的旋转失速与扩压器出口回流区有关,出口处回流区逐渐向扩压器内部发展,导致核心流发生畸变,最终导致旋转失速的发生。     

离心压气机无叶扩压器旋转失速诱发的能量损失机制研究

利用ANSYS软件分别对带宽、窄无叶扩压器的离心压气机进行数值模拟,研究了在旋转失速诱发过程中离心压气机无叶扩压器的流场分布及能量损失机制。研究表明,窄无叶扩压器失速诱发时盘盖侧边界层发生局部回流并在叶高方向向内延伸,而宽无叶扩压器失速与扭曲的核心流和回流混合密切相关。随着流量的减小,扩压器内能量损失逐渐增加,旋转失速发生后,能量损失快速增加,到失速完全发展时,达到最大,且宽无叶扩压器的能量损失大于窄无叶扩压器。窄无叶扩压器失速诱发点处存在性能曲线的不连续现象,分析了宽、窄无叶扩压器旋转失速诱发过程中的能量损失机制。     

带无叶扩压器离心压气机的稳定性分析

结合实验数据,采用数值模拟方法对某带无叶扩压器离心压气机的性能与稳定性进行了详细分析,比较了设计点与近失速点下无叶扩压器内部的流动特征．结果表明：在发生喘振瞬间,扩压器进口最先出现了压力崩溃;扩压器进口流动特别是轮盖侧流动是导致压气机失稳的重要因素,对扩压器进口逆叶轮旋转方向的轮盖侧啧蒸汽能够提高扩压器的稳定性．     

小流量下离心压气机无叶扩压器数值模拟及流动分析

无叶扩压器是离心压气机重要部件,也是涡轮增压器上应用最多的扩压器类型,详细研究其内部流场,掌握流动损失产生的机理,对于提升扩压器性能及抑制其失速的发生具有重要意义。本研究利用商用CFD软件NUMECA对离心压气机无叶扩压器进行了数值模拟,并对无叶扩压器收缩段和平行段内的流动分别进行分析,探讨了它们各自流动的特点,为进一步深入研究无叶扩压器流动,提升其性能奠定基础。     

串列叶栅扩压器弦长比对离心压气机的性能影响研究

为研究串列叶栅前后排叶片的弦长比对离心压气机性能的影响规律,采用数值模拟的方法对某离心压气机扩压器进行串列改造,并在弦长比为0.7、1.0和2.0时对离心压气机级性能进行分析。研究结果表明:串列叶栅扩压器效率优于楔形扩压器,且可以明显扩宽压气机的工作裕度;串列叶栅弦长比在一定范围内数值越大,即前排叶片越短,压气机性能越佳。在串列叶栅扩压器后排叶片前缘附近添加合适弦长的小叶片可以在不降低离心压气机效率与工作裕度的同时提高总压比,同时拓宽其最大通流能力。     

叶片前缘不同后掠角对离心压气机气动性能的影响

采用全三维气动设计技术,设计了4种具有掠角叶片和带翼型叶片扩压器的涡轮增压跨音速离心压气机,并采用数值模拟手段研究了叶片前缘不同后掠角对压气机内部工质流动的影响。研究结果表明:主叶片前缘不同后掠角会使压气机堵塞流量(堵塞工况下的工质流量)增加,提高压气机流通能力,同时,可以有效改善通道内低能流团的分布;但由于主叶片轴向弦长缩短,会造成喘振裕度的减少,以及主叶片前缘脱体激波角增大和槽道激波的增强;对截面二次流分析结果表明:叶片前缘的后掠角对二次流的影响主要表现在叶轮进口附近,对出口影响不大。对比不同前缘后掠角压气机内部流动情况发现,掠角越小,叶片叶顶负荷越小,叶片表面压差也越小,流动越稳定;掠角越大,虽然叶轮通道上游产生的激波越强烈,但是可以明显改善通道下游气流流动情况。     

一种新型叶片扩压器的联合处理方法

以机翼扩压器为研究对象，对某船用涡轮增压离心压气机性能进行数值模拟．首先将扩压器叶片进行低稠度处理，在此基础上再进行叶片根部开槽处理，以研究低稠度与开槽联合处理对整机性能的影响．结果表明：低稠度处理可在全转速范围内拓宽流量范围，但失速边界发生整体右移；低稠度与开槽联合处理能够保持堵塞流量不变时，在全转速范围内增大失速裕度，在进一步拓宽流量范围的同时，解决失速边界偏移问题，可使高转速下稳定工作流量范围甚至超过无叶扩压器的2倍，但同时联合处理也降低了气动性能，仍高于无叶扩压器性能；槽道的径向位置是开槽处理的关键参数，除了影响流量范围大小外，还会使峰值效率点的绝热效率、总压比分别产生近4.0%、1.5%的波动，因而需优先确定．     

部分叶高串列扩压器对离心压气机性能的影响

为了保证离心压气机压比同时拓宽其稳定工作范围,将部分叶高概念引入串列扩压器设计中,获得部分叶高串列扩压器,并基于数值方法研究串列叶栅前后排叶片相对周向位置以及前排叶片相对高度对离心压气机与串列扩压器性能的影响.在相对周向位置为30%的串列扩压器基础上,利用不同部分叶高叶片设计串列扩压器前排叶片,获得不同的部分叶高串列扩压器.结果表明:串列叶栅前后排叶片相对周向位置对扩压器的扩压能力以及稳定工作范围有很大影响,当相对周向位置处于20%~30%内时离心压气机的整体性能达到最佳;与原离心压气机相比,当前排叶片相对高度h/B分别为40%和50%时,离心压气机的喘振裕度可分别增加21%和25%,总压比和等熵效率仅下降1%左右.     

部分叶高串列扩压器对离心压气机性能的影响

为了保证离心压气机压比同时拓宽其稳定工作范围,将部分叶高概念引入串列扩压器设计中,获得部分叶高串列扩压器,并基于数值方法研究串列叶栅前后排叶片相对周向位置以及前排叶片相对高度对离心压气机与串列扩压器性能的影响.在相对周向位置为30%的串列扩压器基础上,利用不同部分叶高叶片设计串列扩压器前排叶片,获得不同的部分叶高串列扩压器.结果表明:串列叶栅前后排叶片相对周向位置对扩压器的扩压能力以及稳定工作范围有很大影响,当相对周向位置处于20%~30%内时离心压气机的整体性能达到最佳;与原离心压气机相比,当前排叶片相对高度h/B分别为40%和50%时,离心压气机的喘振裕度可分别增加21%和25%,总压比和等熵效率仅下降1%左右.     

自循环机匣处理对某型柴油机增压器压气机的稳定工况范围及性能影响研究

针对某型柴油机增压器压气机,基于整级全通道数值模拟和正交试验设计方法,研究了自循环机匣处理实现高亚声速压气机扩稳增效的潜力。结果表明：自循环机匣能够在提高设计点气动性能的前提下推迟失稳,但会牺牲堵塞流量。压气机的失稳和堵塞流量分别与叶片前缘及叶片扩压器中的堵塞程度相关。小流量侧自循环机匣通过抽吸叶轮叶顶附近低能流体,缓解堵塞,推迟失稳。但在大流量侧自循环机匣的喷射效应会增大扩压器进口攻角,加剧扩压器叶片流动分离,减小堵塞流量。抽吸效应与喷射效应强度均取决于抽吸槽的位置和宽度,压气机稳定性和堵塞流量与抽吸槽参数的变化基本呈负相关。自循环机匣对气动性能的影响包含两方面：在抽吸槽前,经回流槽流出的流体与主流的掺混及其产生的进口畸变将带来额外的效率和压比损失,适当减小回流槽角度可以降低该损失;在抽吸槽下游,得益于抽吸效应对叶顶流动状态的改善,压气机抽吸槽附近及下游高熵区减小,做功能力增强,气动损失大幅降低。在上述两方面共同影响下,压气机设计点气动性能最终得以提高。     

超临界氦气离心压气机流场分析

设计了一个包含离心叶轮、扩压器和回流器的单级超临界氦气离心压气机,并采用数值模拟方法对设计结果进行了三维数值模拟分析。通过对总特性、叶表压力分布、展向参数分布以及三维流场的分析,得到了高负荷超临界氦气离心压气机各部件内部的典型复杂流动特点。研究结果表明：相比常规工质,超临界氦气离心压气机单级压比较低,但叶轮与扩压器的负荷和级效率较高,且超临界氦气整体流动为亚音流,只在叶片前缘局部出现超音区。     

高压比离心压气机气动设计与分析

设计了单级总压比9.5、流量1.95 kg/s的离心压气机,该压气机分为叶轮、径向扩压器和轴向扩压器三个部分。叶轮初步设计采用自编程的方法,叶型使用了双分流叶片,通过软件Numeca对叶轮进行了数值模拟,分析了入口激波和出口射流尾迹等流动结构;从性能和流场细节两方面比较了三种形式的径向扩压器。结果发现,扩压器入口收缩可以抑制回流,楔形扩压器的扩压性能明显优于无叶扩压器。     

间隙变化对轴流压气机转子近失速工况叶顶流场的影响研究

为研究间隙变化对轴流压气机转子近失速工况下叶顶流场结构的影响,以轴流压气机转子Rotor37为研究对象,对其叶顶流场进行定常和非定常的数值模拟。计算结果表明：随着叶顶间隙的减小,压气机的总压比和等熵效率均有所提高,稳定运行范围扩大;2倍设计间隙下,叶尖泄漏涡经激波作用后发生膨胀破碎,堵塞来流通道,诱发压气机堵塞失速;0.5倍设计间隙下,吸力面流动分离加剧,发生回流,部分回流与来流在压力面前缘上游发生干涉,进口堵塞加剧,致使部分来流从前缘溢出,导致压气机叶尖失速;不同间隙下压气机失速过程的主导因素不同,大间隙下失速由叶尖泄漏涡破碎的非定常波动引起,小间隙下失速主要由流动分离引发的周期性前缘溢流所主导。     

串列叶栅前后排叶片周向相对位置对离心压气机性能的影响

串列叶栅前后排叶片相对位置对串列扩压器的性能有重要影响.根据离心叶轮出口气流参数设计了一离心式串列叶栅扩压器,并利用数值模拟方法在前、后排叶栅周向相对位置分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%时对离心压气机级进行了计算和分析,研究周向相对位置变化对离心压气机性能的影响以及作用机理.数值模拟结果表明:随着前后排叶栅周向相对位置变化,后排叶栅前缘滞止高压区相对前排叶栅的位置发生了变化,影响了前排叶栅压力面的压力分布,从而改变了前排叶栅压力分布及大小;当前后排叶栅周向相对位置为30%时,扩压器性能达到最佳,使压气机总压比和等熵效率最大,稳定工作范围增大;前后排叶栅所形成的渐缩通道可抑制后排叶栅吸力面边界层的分离.     

某压气机进口级流动损失及静叶流场分析

采用三维雷诺平均N-S方程求解方法,对某燃气轮机压气机进口级流动进行模拟,研究了峰值效率点及近失速点的性能及流动特性,探索叶片通道中引起高损失的原因,分析了静叶通道内复杂的流动结构及吸力面角区分离的产生机制。结果表明:当该压气机级向近失速工况推进时,静叶中的能量损失较导叶、动叶增长更快;静叶下端壁大范围低速流体是损失的主要来源;通道涡及泄漏涡是静叶通道内主要二次流,其共同作用造成大面积总压损失;近失速工况下沿流向和展向的逆压梯度增大且二次流增强,导致静叶吸力面下端壁角区分离现象的出现。     

低雷诺数下NACA64-418翼型的流动分离研究

通过粒子图像测速（PIV）技术，在低速风洞中研究了0°~15°攻角和雷诺数分别为1.54×105、2.57×105和3.59×105下NACA64-418翼型的压力性能，并基于γ-Reθ转捩模型分析了翼型表面的流动分离及涡脱落情况。 研究表明:NACA64-418翼型具有较大的失速攻角,PIV结果的时均流场和瞬时流场表明，NACA64-418翼型具有较大的失速攻角，随着雷诺数的增加，失速攻角变小;从翼型壁面回流区可以看出γ－Reθ转捩模型可以准确评估翼型表面从层流到湍流流动的变化;数值结果与实验结果进行比较，验证了γ－Reθ转捩模型的预测是准确的。     

离心压气机预旋及扩压器调节扩稳研究

以增压器无叶扩压离心压气机为研究基础,进行了压气机预旋导叶及扩压器设计,对单预旋、固定扩压器及预旋、扩压器耦合调节等不同情况下的离心压气机特性进行了数值分析,研究了进口预旋及扩压器可调的压气机扩稳特征。结果表明:压气机进口预旋在保持压气机最高效率特性基本不变的同时可以使压气机的流量范围拓宽16.7%,叶片式扩压器则可明显提高压气机最高效率约1.7%。在无叶扩压离心压气机的基础上,采用进口预旋和叶片式扩压器耦合调节控制的方法可在拓宽压气机喘振裕度的同时可使压气机工作效率提高约1.2%。     

小型离心压气机径向扩压器复杂涡系结构分析

对某小型离心压气机进行详细数值模拟,构建径向扩压器复杂涡系结构模型,重点分析设计、堵塞、失速工况下径向扩压器内部复杂涡系结构。研究表明：径向扩压器内部涡系结构主要包括前缘涡、两个通道涡（压力面侧通道涡与吸力面侧通道涡）以及喉部涡;主叶片吸力面的前缘涡是机匣侧低能流体在展向与流向压力梯度作用下形成的,喉部涡是吸力面侧通道涡沿分流叶片前缘的回流与前缘涡构成的;喉部涡在喉部的堆积是导致径向扩压器失速的原因,径向扩压器喉部的激波则是堵塞的原因;随流量的减小,前缘涡的涡核越向相邻主叶片压力面迁移。     

跨声速轴流压气机失速特性研究

为研究跨声速轴流压气机失速特性,采用节流阀门模型使跨声速轴流压气机Rotor35进入数值失速,得到了失速过程中的内部流场,捕捉到了失速团从产生到发展壮大的过程,发现失速起始于叶片顶部,逐渐向轴向、径向和周向发展,失速团绕着旋转轴以低于转子转速同方向旋转。通过对比不同时刻的流场特征,压气机进入失速时在转子的叶顶区域流场同时发生了"前缘溢流"和"尾缘回流"的现象。叶顶间隙泄漏流与叶片吸力面分离流形成的流道分离涡的不断发展扩大,最终使压气机完全失速。     

无叶扩压器中非定常流动的DMD模态分析

采用动力模态分解(DMD)对离心压气机无叶扩压器内的复杂流场进行分析,选取1.8kg/s设计工况和1.4kg/s非稳定工况下的非定常数值计算结果为基础数据,得到这2种工况下10%叶高平面上切向速度、径向速度的模态云图以及特征频率,评估了DMD方法分析离心压气机非定常流动特征的能力.对不同特征频率下的流场进行重构,直观深入地再现了无叶扩压器内部非定常流动的变化过程.结果表明:在小质量流量下,叶片扫描频率的影响效果虽然仍占据主导,但受到抑制;捕捉到失稳频率约为193Hz,失稳模态在扩压器内沿周向占据3个固定的位置交替波动,不稳定波动沿扩压器周向并不存在旋转.