基于Matlab的多级轴流式压气机气动设计.pdf

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1、万方数据基于Matlab的多级轴流式压气机气动设计华中科技大学能源与动力工程学院(湖北430074)王军王录姚姗姗【摘要】采用工程计算软件Matlab，通过编程来代替复杂的计算过程。提出交换叶型的设计和平均直径校核的次序，使设计更有针对性，减少迭代计算次数。【关键词】Matla：b轴流压气机气动设计一、前言多级轴流式压气机的设计过程较为复杂，设计参数应根据T程需要在推荐范围内选取，同时前期的设计结果又直接影响到后续的设汁，这种自口后耦合的关系使过程变得复杂，往往难以一次性地完成设计。通常根据初步设计的结果，分析其中不合理的部分，不断地修正合理的参数，直至得到满意的结果。压气机通流部分的结

2、构设计、气动参数的选择、平均直径的校核、叶片截面参数的确定及叶片表面坐标的生成，计算量大，设计过程需要反复迭代，存在设计周期长，效率低的不足。近年发展迅速的计算工具Matlab，具有方便快捷的优点，通过编制程序．能实现循环迭代的选择某些参数值，同时程序还毹生成三维造型软件(如P∥E)中叶片造型所需的空间点的坐标，这些点的坐标能封装成Pr0／E能t}{别的文件格式，导人Pr0／E中方便的牛成三维叫片。=、设计流程1通流尺寸计算和平均直径的校核(1)首术级尺寸的计算和级数的确定计算流程如图l所示。(2)通流部分各级平均直径的确定在横坐标上取线段丑D袁示多级轴流式压气机外径(或内径)的变化趋势

3、。在丑D两端的纵坐标上按比例绘出第搬和最后一级的叶高，如图2的AB和cD。用一条逐渐上升的光滑曲线将A、c两点连起来，此曲线日B表示压气机内径(或外径)的变化趋势。将舭，按所确定的级数等分，过各个等分点作垂直于舢交曲线^c的线段长度即代表各级叶高太小。据此可得各级的乎均直径。图l首末级尺寸的计算和级数的确定(3)气动参数的确定及平均商径的校核计算流程如图3所示。弋喾善!譬塑塑—————————一GM通用觚疆wmvrmⅢ⋯⋯一⋯一78万方数据《镰』少11～按蠊／_，一图2叶高的变化规律图3校核平均直径2．流型流型决定叶片在空间上的成形。采用简单的径向平衡方程：1dDc：口品2r对于无黏性的

4、等熵流动，假定理论加工量沿径向不变，简单的径向平衡方程可转化为：{半+警：。r2dr。dr～”设计时应据具体要求选择不同的约束条什，从而得到不同的流型。最常用的两种：等环量级和等反动度级。等环量级，随着半径r的增大，c。减小，“增大，使得相对速度加急剧增加。对于压气机的前几级，空气的温度较低，因声速较小，因此相对马赫数村。随着半径的增大而增加迅速，在叶顶处可能达到超声速，这会在通道中产生激波，增大损失，降低级效率。等反动度级，随着半径的增大，c，：减小，u增大，c。。减小，因此进口的相对速度”随着半径的增大变化平缓，适应了压气机前几级的声速小的特点，避免超声速气流的产生。但计算较等环量级

5、复杂，通常只在前几级采用等反动度。如图4是某压气机第一级分别采用等环量和等反动度时相对马赫数随半径变化的对比。图4相对马赫数随半径变化3．截面叶形的叠加叶片韵三维造形需要将各计算截面上的叶形按一定的规则叠加，叠加的方法主要有两种：前缘叠加和重心叠加。如图5、图6所示分别给出了这两种方法的卺加结果，如图7所示给出用Pr∥E绘制的三维实体模型。图5前缘叠加叶片成形前缘叠加，空间卜除叶根截面外其他截面的重心一般不在经过叶根截面重心的半径上，这种叠加方式简单但受力条件差。重心叠加各截面叶形重心均在叶轮的径向线上，不对叶片产牛附加弯矩，受力好，如图8所示。过叶根截面叶形重心的半径线为r，其他截面叶

6、形重心到半径r的距离分别为d：、如、也、d，，当然这些距离不一定在同一平面上，各截面所受到的离心力分GM通用帆麓2007年第e期w¨w蛳Y．，埘万方数据图6重心叠加叫片成形图7重心霍加的三维叶片实体晚q图8前缘叠加受力分析图钠为F2、F3、k、Fs。则各截面对，轴的力矩为：村。=，。×F。则台力矩为：∑盯。=善r；×F．对∑吖，值，难以保证为零，即便为零，附加弯矩在叶根处不产生弯曲应力，但中间的某些截面上弯矩是存在的，这降低叶片的强度，尽管产生的弯矩有时可以抵消部分的离心应力，但设计这样的叶片复杂，同时给加工制造、安装带来困难。工程上对强度和稳定性有较高要求的叶片常采用重心叠加。三、分析

7、1)一组气动参数对应确定的平均直径，反过来确定的平均直径也对应着一组气动参数，尽管这组参数不唯一，但也不是任意的，因此选择的参数合不台要求，需要棱棱。若i口。。一口血’}>￡，重新选择参数计算时，初时用的参数在推荐的范围内都可以调整，使lD硼一D删’l≤￡。但值得注意的是：在最后一级的设计时，％不可调，它的值要根据最后一级动叶进口和静叶出L_I的滞止压力和动叶进u处的滞止温度来确定，如果初时参数不满足要求，不能调整F胡，只能调整其他