离心压气机非轴对称流动特性及进气畸变对内部流场的影响研究

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1、中图分类号：TK05UDC分类号：621.5离心压气机非轴对称流动特性及进气畸变对内部流场的影响研究作者姓名王磊磊学院名称机械与车辆学院指导教师杨策教授答辩委员会主席刘建军教授申请学位级别工学博士学科专业动力机械及工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月离心压气机非轴对称流动特性及进气畸变对内部流场的影响研究王磊磊2015年6月InvestigationsoftheNon-axisymmetricFlowBehaviorsinCentrifualCompressorandtheEffec

2、tsoftheInletDistortionontheInternalFlowCandidateName:WangLeileiSchoolorDepartment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.CeYangChair,ThesisCommittee:Prof.JianjunLiuDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:PowerMachineryandEngineeringDegreeby:Beiji

3、ngInstituteofTechnologyTheDateofDefence:June,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要离心压气机作

4、为小型燃气轮机及涡轮增压器的核心部件，被广泛应用于军事、民用领域。压气机蜗壳周向非对称的几何结构使得蜗壳内部静压周向分布不均匀，从而导致非设计工况下压气机性能下降。另一方面，离心压气机设计一般是在均匀进气的前提下进行，而实际使用中由于受整机空间布置等限制，压气机进气常采用不同形式的弯扭管道，而弯扭管道的导流作用使叶轮进口出现复杂的总压和旋涡畸变，这不但影响压气机的性能和稳定工作范围，还会引起压气机的可靠性和稳定性发生变化。本文以J90-2型离心压气机为研究对象，通过实验和数值模拟的方法研究了压气机的非

5、轴对称流动特性及进气畸变对其内部流场的影响。主要研究目的在于：一是通过分析离心压气机蜗壳内部高静压区域产生的扰动压力波动沿叶轮槽道逆向传播的过程，揭示压气机非轴对称流动特性的形成机理，并阐明由此引起的内部流场变化以及对叶轮进出口气流参数、叶片载荷的影响机制。二是阐明弯扭管道出口截面上二次流场结构、总压和旋涡畸变特性随管道扭转角度的演化规律。定量确定不同弯扭管道出口截面上的旋涡强度、旋涡方向、旋涡对数等描述畸变流场细节的参数存在的差别。三是研究叶轮进口旋涡畸变引起的离心压气机性能变化及其原因。发现叶轮进

6、口气流旋涡畸变指数与叶轮进气条件间的关联关系，分析进气畸变与蜗壳静压畸变的耦合特征，关注不同旋涡畸变进气时压气机内部流场的变化特点。基于上述研究目的，本文通过对不同弯扭管道进行设计，建立了带有直管以及典型的弯扭进气管道的压气机几何模型，并选用NUMECA软件展开了数值研究工作。与此同时，实验研究在不同的压气机转速和流量工况下开展，实验中分别在进口接入直管和上述典型的弯扭管道，同时测量压气机内部壁面关键点的静压变化。通过压气机直管进气下的实验验证了数值计算的可靠性，同时获得弯扭管道进气引起压气机性能和测

7、点静压的变化规律。通过数值计算得到一系列弯扭管道进气下的总压以及旋涡畸变形式，在对气流畸变程度量化描述的基础上总结出畸变随流量变化的特点。研究发现，改变弯扭管道的扭转角度可以在管道出口得到较为典型的旋涡结构：当扭转角度为0°和180°时，旋涡结构对应孪生涡的形式；当扭转角度为90°，旋涡近似呈现团涡的特征。研究表明，与叶轮进口形成的孪生涡相比，近似团涡的旋涡形式对压气机性能的影响有显著差异，当近似团涡的旋涡方向与叶轮转动方向相同时，压气机性能I北京理工大学博士学位论文下降程度最大；而旋涡方向与叶轮转动

8、方向相反时，对压气机性能的影响最小。在非设计流量工况下，对于离心压气机的非轴对称流动特性研究方面，实验和数值模拟证实了蜗壳静压对压气机轮缘及进口静压分布产生的影响。通过叶片槽道静压变化时空图展示了蜗壳高静压扰动压力波动在叶轮流场中逆向传播的途径，发现大流量工况下蜗壳高静压扰动压力波可以传播到叶轮进口，而小流量工况下，蜗壳静压扰动压力波强度较弱，对叶轮进口几乎不产生影响。通过对比叶轮进出口气流参数的变化情况和叶轮槽道流量分配形式，表明小流量工况的影响较大。