弯掠离心叶轮流动机理研究及气动优化

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1、弯掠离心叶轮流动机理研究及气动优化马季2015年6月中图分类号：TK123UDC分类号：621.4弯掠离心叶轮流动机理研究及气动优化作者姓名马季学院名称机械与车辆学院指导教师伊卫林副研究员答辩委员会主席马朝臣教授申请学位工程硕士学科专业车辆工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月9日StudyontheeffectsofbowandsweepbladeoncentrifugalimpellerperformanceandaerodynamicoptimizationCandidateName：JiMaSchoolorDepartment:SchoolofMechan

2、icalEngineeringFacultyMentor:AssociateProf.WeilinYiChair,ThesisCommittee：Prof.ChaochenMaDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:VehicleEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:Jun,9,2015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

3、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：北京理工大学硕士学位论文摘要离心压气机是小型航空/地面燃气轮机和涡轮增压器压气机部件的主要形式，一直向高压比、高效率、宽稳定裕度方向发展，而常规的直母线叶轮难以满足日益增长的性能要求。弯掠技术可以有效提高压气机性能，但在离心压气机中的作用机理不明确、设计规律不清晰，因此深入开展不同曲面叶轮流动机理及性能研究具有现实的意义。另外，配备离心压气机的航空发动机或涡轮增压器常常需要在高海拔低

4、雷诺数工况下工作，压气机性能退化严重。通过不同高度雷诺数对离心压气机性能影响分析，探索基于弯掠叶轮的改进方法及技术具有应用价值。基于此，本文主要开展了以下研究内容：首先，研究不同弯型在离心叶轮中的应用。利用设计软件对离心叶轮进行弯叶形改型设计，叶片弯的形状主要由两个参数“弯曲位置”以及“弯曲量”沿流向的分布决定，共设计12种前缘改型方案，4种尾缘改型方案。并通过数值方法得到其总体性能，进而分析其内部流场变化。研究表明，前缘负弯有助于提高压气机的峰值效率、压比，并且越靠近叶顶，改善作用越明显，负弯使阻塞流量提高。前缘70%展高7mm的负弯叶轮具有最高效率，效率较原型提高0.6%，阻

5、塞流量较原型提高4%。然后，研究不同掠型在离心叶轮中的应用。首先分别对叶轮主叶片前缘、分流叶片进行单独掠型设计，通过数值计算得到其性能变化趋势，并分析内部流动机理，结果显示：主叶片前缘顶部后掠使叶轮效率有所提高，但是会减小稳定裕度，并且变化程度与改型程度成正比。而主叶片前缘中部后移会使叶轮工作的稳定裕度扩展。分流叶片的后掠会使峰值效率提高。组合主叶片前缘中部后移和分流叶片后掠得到的方案具有较好的气动性能，效率提高约0.7%，压比提高约2%，裕度也有所提高。最后，研究低雷诺数对压气机性能的影响以及弯掠叶型的改善能力。结果显示，在高空低雷诺数工况下，压气机性能恶化严重，尤其在20km

6、高空以上，压气机的效率和压比下降幅值较大。与标准大气条件工况相比，在10km、20km、30km高空峰值效率分别下降1.4%、6.4%和15.4%，最大压比分别减小了0.15、0.66、1.49，工作裕度亦逐渐减小。通过改型叶轮在高空低雷诺数条件下适应性研究发现，负弯叶形并未使叶轮峰值效率、压比等参数提高，只是使堵塞流量变大。主叶片顶部后掠在20km高空并未对原型叶轮性能产生明显的影响，Case(B)20km工况较地面裕度的下降有所I北京理工大学硕士学位论文减小。分流叶片后掠使得叶轮有所效率提升。组合叶型Case(O)在高空低雷诺数工况获得了最好的气动性能，整体工作的流量范围扩展

7、较大(3.9%)，同时效率提高约0.6%。关键词：离心叶轮；数值仿真；弯叶型；掠叶型；低雷诺数II北京理工大学硕士学位论文AbstractThecentrifugalcompressoristhemaincomponentsformofsmallgasturbineandturbocharger.Toimprovetheefficiency,developtheloadcapacityandwidentheoperatingmarginistheconsistenttrendof