电站轴流风机旋转失速工况下的叶轮静力特性研究

基于Realizable k-ε湍流模型对某电站轴流风机旋转失速工况下的流场进行了数值模拟,并基于有限元分析方法结合流固耦合理论,利用Ansys软件对旋转失速工况下的风机叶轮进行流固耦合研究.结果表明:风机进入旋转失速状态后,叶轮内存在一个与叶轮旋转方向相同的失速团;叶轮的等效应力分布主要受离心力载荷的影响,旋转失速对叶轮等效应力分布的影响较小,叶轮的最大等效应力小于材料的屈服强度,未达到屈服状态;气动力载荷对叶轮的总变形量有显著影响,旋转失速发生后,失速团中心所在区域的总变形量最大,较设计工况下增大了72.2%.     

基于ANSYS的旋喷泵叶轮流固耦合分析

为获得旋喷泵叶轮在设计工况下的等效应力及变形分布情况,基于FSI原理对旋喷泵叶轮进行了结构分析。采用多物理场协同仿真平台ANSYS Workbench,基于单向流固耦合原理对旋喷泵叶轮结构进行了仿真计算,同时对单独施加离心力载荷或流场压力载荷的旋喷泵叶轮应力与变形分布情况进行了仿真。结果表明,在设计工况下叶轮应力分布不均且在局部区域存在应力集中现象;叶轮变形随半径的增大而增大,并在叶轮边缘达到最大值0.095 887 mm;离心力惯性载荷是影响叶轮应力与变形分布主要因素。     

多种载荷下超临界二氧化碳向心透平变形及应力研究

基于超临界二氧化碳(SCO2)工质的动力循环系统是目前先进动力系统的研究热点和发展方向，向心 透平作为SCO2动力循环中的核心部件，其运行的安全性至关重要。本文采用热流固耦合分析方法，对一SCO2 向心透平叶轮进行了强度特性分析，得到了多种载荷对于叶轮变形和应力分布的影响。结果表明:温度 载荷对于变形大小占据主导地位，气动载荷及离心力载荷对变形影响较小，全部载荷工况下叶轮最大总位移 为2.421 mm，位于叶轮轮盘外径处;离心力载荷对等效应力贡献最大，温度载荷导致叶轮叶片根部前缘圆角 处的应力集中，气动载荷对叶轮等效应力贡献较小，全部载荷工况下叶轮最大等效应力为267.91 MPa，位于 叶轮轮背凸台段过渡圆弧处 。     

基于流固耦合的多级冲压泵转子部件强度和模态分析

为保证冲压泵的运行稳定性和安全性,采用单向流固耦合方法,计算并分析了某型号多级冲压泵的转子部件在各种工况下的等效应力、变形量分布及模态。对泵内部三维湍流流场进行定常计算,获得泵内的流动参数分布;进而将流动载荷施加到泵的过流部件表面,采用有限元分析方法对泵叶轮进行强度校核,并对整个转子部件进行模态分析。研究发现叶轮上的最大等效应力出现在轮毂处,最大变形量则出现在叶片外缘处,且最大等效应力和最大变形量随级数的增加而减小;随着流量的增大,叶轮所受的最大等效应力逐渐减小,但最大变形量却逐渐增加。研究成果可为冲压泵的优化设计提供参考。     

增压器压气机叶片结构/振动一体化优化设计

以废气涡轮增压器压气机叶轮为研究对象,创建了压气机叶片的三维参数化模型,通过全三维流场仿真分析,得到压气机的气动性能及叶片表面的压力分布.在不改变叶片形状、保证压气机气动性能的情况下,对叶片的静强度及振动特性进行了一体化优化设计.以叶片4个关键截面的叶顶、叶根厚度为设计变量,以离心力及气动压力作用下叶片的最大Mises应力、叶片的一阶动频为约束,以叶片体积为目标函数,在iSIGHT优化平台上集成了I-DEAS、ANSYS软件,采用混合整型优化和自适应模拟退火算法的组合优化方法,在满足叶片静强度小于屈服强度和一阶动频大于3倍工作频率的条件下,叶片体积(质量)减小了14.7%.     

风力机叶片在不同载荷作用下的应力特性分析

针对额定功率为100 W的水平轴风力机叶片为研究对象构建实体模型,利用ANSYS有限元方法,模拟分析叶片在气动力、离心力及重力作用下的应力特征,最后由实验数据和模拟计算做对比分析。额定工况单独载荷作用研究,得出叶片应力主要受气动力与离心力的作用,重力影响不大;施加复合载荷,同一截面相对位置,叶片迎风面应力值大于背风面应力值,且随风速增加应力值逐渐增大,最大应力值处始终保持最大。     

基于流固耦合的轴流泵叶轮强度分析

对某泵站卧式双向全调节轴流泵在正向抽水工况时各个转角下的叶轮强度进行了单向流固耦合计算,首先将CFD计算得到的叶片表面水压力作为结构面载荷加载到叶片上,再利用有限元软件ANSYS计算叶轮的强度,得到了各个工况下叶轮的静应力分布及变形情况。结果表明,在各叶片安放角下,叶轮静应力最大值随着扬程的升高而增大,且均出现在叶片与轮毂的结合处,应力集中易使此处产生疲劳破坏;最大变形量出现在叶片进水边靠近轮缘位置;静应力的最大值远小于叶轮材料的屈服强度,不足以使叶轮产生裂纹。     

高温熔盐泵关键部件结构特性分析

为研究熔盐泵在不同温度下叶轮和导叶结构特性变化,采用流固热耦合方法对不同温度下熔盐泵结构进行分析。分析结果显示：叶轮叶片进口和导叶叶片出口存在应力集中现象,叶轮前后口环根部配合位置和叶轮口环上的应力圆周分布均出现周期分布。叶轮叶片和导叶叶片与盖板交线的变形规律性比较明显,叶轮叶片与盖板交线的变形量自进口至出口先小幅度降低后增加;导叶叶片和盖板交线的变形量由进口到出口呈减小的趋势。温度增加会使前后口环及其配合位置的径向变形量增加,但叶轮口环的变形量均小于静止部件配合位置的变形量,不同温度下叶轮口环和配合位置都满足间隙配合条件,不会出现干涉和卡死现象。     

考虑制造偏差的高温叶片热弹性接触应力研究

枞树型叶根广泛应用于燃气轮机和大功率蒸汽轮机叶片,其可靠性严重影响着叶片的安全运行.采用三维热弹性有限元分析技术建立了仅考虑离心力载荷及综合考虑离心力和温度载荷的数值模型,对4种不同的叶根轮缘接触面制造偏差状况下叶根应力进行了详细分析,发现常温下设计良好的枞树型叶根轮缘,在高温下由于热胀导致的变形,将使叶根承载分布不均,从而产生很大的应力,并且应力状况也随着制造偏差而不同.所以在设计高温级叶片枞树型叶根型线时,需要综合考虑叶根的制造偏差以及工作状态下的承载情况进行安全性校核.     

含气率对多相混输泵叶片应力应变的影响

为了揭示流固耦合作用对多相混输泵的影响规律,以一单级多相混输泵为研究对象,选取气液两相作为运输介质,基于ANSYS软件进行数值计算,流体域采用TurboGrid进行结构化网格划分。通过计算得到不同含气率下叶片表面的应力和应变分布规律。结果表明:在不同含气率下,动叶轮内最大变形量均出现在流向系数为0.1附近,而静叶轮内变形最明显的位置位于叶片的进口与出口处;随着含气率的增加静叶轮内叶片的变形量有一定程度的下降,但降低的程度要低于动叶轮内叶片的变化量。在动叶轮内,随着含气率的增加压力面和吸力面等效应力整体减小,且最大等效应力区域逐渐向叶轮进口方向移动。研究结果可为多相混输泵的开发与结构优化提供参考。     

Numerical analysis of flow in ultra micro centrifugal compressor -influence of meridional configuration

A single stage ultra micro centrifugal compressor constituting ultra micro gas turbine is required to operate at high rotational speed in order to achieve the pressure ratio which establishes the gas turbine cycle. As a consequence, the aerodynamic losses can be increased by the interaction of a shock wave with the boundary layer on the blade surface. Moreover, the centrifugal force which exceeds the allowable stress of the impeller material can act on the root of blades. On the other hand, the restrictions of processing technology for the downsizing of impeller not only relatively enlarge the size of tip clearance but also make it difficult to shape the impeller with the three-dimensional blade. Therefore, it is important to establish the design technology for the impeller with the two-dimensional blade which possesses the sufficient aerodynamic performance and enough strength to bear the centrifugal force caused by the high rotational speed. In this study, the flow in two types of impeller with the two-dimensional blade which have different meridional configuration was analyzed numerically. The computed results clarified the influence of the meridional configuration on the loss generations in the impeller passage.     

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。     

叶片根部倒角对离心叶轮气动性能影响

叶轮是决定离心压气机气动性能的关键因素之一,在保持叶轮设计参数不变的条件下,调整叶根倒角的分布,对比分析叶根倒角对压气机性能的影响。利用Numeca软件对跨声速离心压气机进行全三维稳态流动数值模拟方案分为等半径倒角与变半径倒角两种。结果表明：主叶片后半弦长的倒角是决定压气机气动性能的关键性因素,尾缘倒角比前缘更敏感;根部倒角使得叶片吸力面角涡的形成提前、流动过程中角涡的扩散加快,致使叶片轮毂面附近的附面层增厚、流动更易分离,导致叶轮流通面积及流程气流转折角减小、受力面静压差降低,从而降低做功能力、恶化压比特性;在设计工况,绝热效率下降可达0.64%,总压比下降可达1.23%,且降幅随倒角增大而增大。因此,在保证可靠性的前提下,应尽量减小叶轮根部尤其是主叶片后半弦长的倒角半径值。     

单级离心压气机气动性能预测与优化设计

为了提升低转速工况下压气机的气动性能,采用人工神经网络与遗传算法相结合的优化方法对某单级离心压气机离心叶轮的弯特性进行优化计算。利用NUMECA软件对该离心压气机进行了不同转速的数值模拟,得到压气机不同工况下的气动性能。通过设置不同控制参数和曲线形式对离心叶轮叶片进行参数化拟合,以8个改变叶片弯特性的参数为自由参数进行了叶型优化设计,最终得到了优化后的叶轮叶片。结果表明:优化后在低转速的设计工况下离心压气机压比增加了4.69%,稳定裕度拓宽了17.41%。     

Investigation on centrifugal impeller in an axial-radial combined compressor with inlet distortion

Assembling an axial rotor and a stator at centrifugal compressor upstream to build an axial-radial combined compressor could achieve high pressure ratio and efficiency by appropriate size augment.Then upstream potential flow and wake effect appear at centrifugal impeller inlet.In this paper,the axial-radial compressor is unsteadily simulated by three-dimensional Reynolds averaged Navier-Stokes equations with uniform and circumferential distorted total pressure inlet condition to investigate upstream effect on radial rotor.The results show that spanwise nonuniform total pressure distribution is generated and radial and circumferential combined distortion is formed at centrifugal rotor inlet.The upstream stator wake deflects to rotor rotation direction and decreases with blade span increases.Circumferential distortion causes different separated flow formations at different pitch positions.The tip leakage vortex is suppressed in centrifugal blade passages.Under distorted inlet condition,flow direction of centrifugal impeller leading edge upstream varies evidently near hub and shroud but varies slightly at mid-span.In addition,compressor stage inlet distortion produces remarkable effect on blade loading of centrifugal blade both along chordwise and pitchwise.     

双离心压气机共用单一进气歧管致 进口流场畸变的仿真分析

针对V型发动机的共用单一管路对置离心压气机进口流场畸变特性进行了研究,通过台架试验测试了初始压气机性能,完成了仿真模型的标定。在此基础上分析了压气机进口流场的变化特征,分析结果表明:共用单一管路对压气机特性影响明显,造成了两侧压气机堵塞流量的降低,在大流量工况区域效率明显下降,右侧压气机恶化程度要明显高于左侧。原因在于受安装位置空间限制,喉口处畸变扩展与进口周向畸变叠加效应使得右侧压气机在周向和叶高方向的畸变程度均高于左侧压气机。进口的畸变效应会一直持续至压气机叶轮内部,使压气机性能变差。     

分流叶片周向位置设计及其对离心叶轮内部流动的影响

利用计算流体力学软件，对某高压比、高转速、小流量离心式压气机的半开式叶轮内部三维粘性流场进行了数值模拟研究。重点分析了分流叶片周向位置对叶轮内部流动和性能的影响，提出了适合此半开式离心叶轮分流叶片周向位置的设计方案。结果表明：分流叶片不同周向位置对流场影响明显，当分流叶片偏向长叶片吸力面侧时，叶轮流道内低速区增大，流动分布不均匀。研究还发现：固定分流叶片进口而将出口位置向长叶片压力面侧偏置，可以改善叶轮内部流动情况，提高叶轮性能。     

叶顶间隙对跨音速离心压气机气动性能影响分析

基于控制变量法对某跨音速离心压气机进行数值模拟,研究了叶轮尾缘叶间隙改变对其气动性能的影响。仅改变该离心叶轮的尾缘叶顶间隙,在设计转速下进行全三维黏性数值模拟,对相关气动参数进行分析。计算结果表明,相较于小流量工况,尾缘叶顶间隙的改变对离心压气机大流量工况的气动性能影响更大;在设计流量下,离心叶轮的压比、效率与叶轮尾缘出口间隙大小之间具有一定的线性关系,随着叶尖间隙增大,叶轮叶尖泄漏流的强度明显增强,导致叶轮的增压能力下降。     

可展曲面后掠叶片离心式压气机叶轮造型方法图形绘制和三元流场计算分析

给出一种可展曲面后掠叶片离心式压气机叶轮选型方法。叶轮叶片的压力面吸力面均为可展曲面，可消除加工叶轮叶片面的干涉现象。采用叶片周线表示叶片，画出的叶轮轴向轴测投影图形，可证明此方法是可行的，使用真实感图形绘制的叶轮图形具有更强的立体感和真实感。此外，应用准正交面法计算一组叶轮的三元流场，叶轮流场较好，压气机可望取得较优的性能。以上研究成果为这种压气机叶轮的研制提供了理论基础，为离心式压气机叶轮计算机辅助设计增添新内容。