高压比离心压气机的流动分析及优化改型

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1、国内图书分类号：TK471学校代码：10213国际图书分类号：621.438密级：公开工学硕士学位论文高压比离心压气机的流动分析及优化改型硕士研究生：陈冬生导师：宋彦萍教授申请学位：工学硕士学科：动力机械及工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK471U.D.C:621.438DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringFLOWANALYSISANDOPTIMIZATIONOFA

2、HIGHPRESSURERATIOCENTRIFUGALCOMPRESSORCandidate：ChenDongshengSupervisor：Prof.SongYanpingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerMachinery&EngineeringAffiliation：EnergyScience&EngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Insti

3、tution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要作为核心的增压装置，离心压气机被广泛应用于中小型航空发动机、燃气轮机及涡轮增压器中，在国民生产和国防建设中均发挥着重要作用。近年来不断增长的军事和能源需求对现代离心压气机的工作性能提出了更高的要求。针对离心压气机内复杂流动特征和流场结构的研究工作日显重要，可以为高压比、高效率和大流量离心压气机的设计和开发提供理论依据和工程指导。本文对某高转速、高压比离心压气机进行了细致的流动分析和优化改型，该压气机

4、由离心叶轮和两列扩压器组成。工作主要内容如下：1．对Eckardt实验叶轮内流场进行了的数值研究，结果表明本文采用的数值方法和条件设置不仅能够较准确地计算Eckardt叶轮的总体性能，还能很好地模拟离心叶轮内的速度、压力分布，并且捕捉到与实验相似的射流尾迹结构。2．详细研究了设计工况下高转速、高压比离心压气机各组成单元（离心叶轮、径向扩压器和轴向扩压器）的流动特征，准确指出了能量损失集中在离心叶轮机匣附近、径向扩压器叶根和叶顶附近，并说明了各区域能量损失的主要原因。3．深入分析了带分流叶片离心叶轮内

5、射流尾迹的形成和发展，并详细解释了尾迹区是离心叶轮内主要的低能流动积聚区和高熵区。研究了叶顶泄漏流、前缘激波对流道内附面层分离、回流现象和尾迹结构的影响，并指出泄漏流、前缘激波和二次流彼此相互影响，它们共同主导了高转速叶轮内的流场结构和流动损失。4．根据压气机原型机的流动分析结果，在保证子午流道不变的基础上对离心叶轮和径向扩压器进行级环境下的优化设计，优化后压气机的总体气动性能大幅提升，设计工况下的流量、压比和等熵效率分别提高8.2%、5.0%和13.1%。通过比较优化前后离心压气机内的流场特征，发

6、现原来三个高损失区的气流流动得到改善，叶轮内的尾迹结构减弱，各列叶栅出口的气流分布更加均匀。优化后，离心叶轮的主叶片和分流叶片的载荷分布更加合理，做功能力提高；而径向扩压器的扩压性能明显提高，有效喉部面积增加。5．另外通过对优化前后高转速叶轮内流场的对比分析，深入探讨了型面压力对叶轮间隙流的重要影响，前缘激波对附面层分离的诱导作用以及强泄漏流对前缘激波的削弱效果。关键词：离心压气机，射流尾迹，叶顶泄漏流，激波，离心叶轮-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractCentrifugalcomp

7、ressorsarewidelyemployedinmiddleandmall-sizedaero-engines,microturbinesandturbochargers,andplayakeyroleinnationalproductanddefenseconstruction.Inrecentyears,moderncentrifugalcompressorsofhighperformancearerequiredtomeetthegrowingmilitaryandenergydemand

8、s.Intensiveresearchesonthecomplexflowstructuresinthecentrifugalcompressorchannelaresupposedtoguidethedesignanddevelopmentofcentrifugalcompressorswithhighpressureratio,highefficiencyandlargemassflow.Detailedflowanalysisandanoptimaldesign