高转速高压比离心压气机内部流动研究

论文摘要

近年来，随着全球范围内的能源与动力需求结构特别是电力系统的放松控制以及环境保护等要求的变化，微型燃气轮机近年来得到了电力、动力等有关部门的高度重视。作为微型燃气轮机的核心部件之一的高转速、高压比离心压气机的设计在微型燃气轮机的设计体系中具有举足轻重的地位。国内外学者对高转速、高压比的离心压气机已经进行了大量的实验和数值研究，并取得了一些进展。我国从八十年代起开始了对高压比离心压气机的型号研究，但是对其中详细的流动机理研究较少，这也影响了我国对高转速、高压比离心压气机的自主研发能力。在这一背景下，本文对高压比的离心压气机中的流动特性进行了详细的研究，主要内容如下：1．对高转速、高压比离心压气机内部流动进行了详细的数值研究，分析了高转速、高压比离心压气机中影响性能提高的因素，并对叶轮流道中间隙泄漏流动的发展以及叶轮尾迹损失的发展进行了详细分析。2．研究了叶轮中不同形状叶片前缘对离心压气机性能和流场的影响，分别研究了无叶顶间隙和带有叶顶间隙的情况。对十轮通道中叶片前缘顶部激波引起的流动分离对流道中流场的影响进行了详细分析，指出了在高转速、高压比离心压气机中叶片前缘形状对压气机性能产生较大影响的原因。分别研究了大小叶片前缘形状对流场作用的不同效果，并对带有叶顶间隙情况下，叶片前缘形状对前缘间隙泄漏损失的影响进行了比较。还进一步研究了不同叶顶间隙的影响，分析了叶顶间隙存在对流场产生的影响以及不同叶顶间隙对间隙涡的发展、叶顶激波引起的流动分离等现象的影响。3．在以上工作的基础上，结合863微燃机项目，针对设计的离心压气机的叶轮与扩压器进行数值计算，并与实验结果进行对比，基本达到设计要求。对离心压气机和向心涡轮进行性能匹配，并与整机的实验结果对比，能较好的预测微型燃气轮机的共同工作曲线。4．对离心压气机中叶轮和有叶扩压器之间的相互作用进行了非定常的数值研究，分别研究了不同无叶扩压段以及扩压器叶片不同倾角对离心压气机性能和流场的影响。分析了无叶扩压段变化对离心压气机性能的影响方式，以及其对叶轮和扩压器相互作用强度的影响，探讨了合理选择无叶扩压段对于离心压气机性能的优化的可能。分析了扩压器叶片倾角变化对扩压器叶片压力面流动的影响，同时分析了倾角变化对叶轮和扩压器间相互干涉造成的流场波动的影响。本论文的研究结果表明，高转速、高压比离心压气机内部存在复杂的流动，通过对其流动机理的探讨与研究，可以为进一步开展离心压气机内部流动的研究提供有效的理论依据；为提高离心压气机设计水平提供技术积累。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 离心压气机内部流动的研究
• 1.2.2 离心压气机中动静干涉的研究
• 1.3 本文的工作
• 第二章 数值方法验证
• 2.1 引言
• 2.2 控制方程及算法
• 2.2.1 控制方程RANS（Reynolds-Averaged Naviere-Stokes Equations）
• 2.2.2 控制方程的空间离散
• 2.2.3 控制方程时间项的离散
• 2.2.4 湍流模型
• 2.3 程序验证
• 2.3.1 计算网格
• 2.3.2 初始条件和边界条件
• 2.3.3 结果分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 离心压气机流动特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 研究对象介绍
• 3.3 网格密度的研究
• 3.4 定常流动特性分析
• 3.5 非定常流动特性分析
• 3.6 整机性能匹配分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 叶轮前缘形状及叶顶间隙研究
• 4.1 引言
• 4.2 不同叶轮前缘形状的影响
• 4.2.1 不带间隙结果
• 4.2.2 主叶片和分流叶片前缘形状的影响
• 4.2.3 带间隙结果
• 4.3 不同叶顶间隙的影响
• 4.3.1 性能分析
• 4.3.2 流场分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 叶轮和扩压器间相互干涉研究
• 5.1 引言
• 5.2 叶轮和扩压器间无叶扩压段的研究
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 扩压器叶片倾角的研究
• 5.3.1 计算模型
• 5.3.2 结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 本文的创新成果
• 6.3 研究展望
• 主要符号对照表
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的文章
• 致谢