进气畸变环境下离心压气机内部非轴对称流动特性的研究

发布时间：2017-08-08 02:01

  本文关键词：进气畸变环境下离心压气机内部非轴对称流动特性的研究

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【摘要】：离心压气机作为小型航空发动机和废气涡轮增压器的重要组成部件,被广泛应用于工、农业等行业中。离心压气机在使用过程中,一方面,由于其下游采用周向不对称几何结构设计的蜗壳,造成蜗壳及压气机内部流场具有周向不均匀性,从而导致压气机工作性能的下降,另一方面,由于受到空间、重量及整机布置的限制,压气机进口不可避免地采用弯管进气的形式。气流流经弯管后,在离心力和粘性力的作用下,压气机进口流场发生复杂的总压和漩涡畸变。因此,对压气机的性能和稳定工作范围产生显著的影响。基于此,本文采用实验和数值模拟的方法,以涡轮增压器上使用的离心压气机为研究对象,对离心压气机内部非轴对称的流动特性进行研究。同时,也开展了180°弯管进气畸变环境下,进气弯管与蜗壳的耦合作用对离心压气机的工作特性及内部流动特性影响的研究工作。结果表明:压气机轮缘静压在周向上的分布具有与蜗壳内部相同特征的非轴对称形式。压气机下游流场畸变在向其上游逆向传播过程中,对上游的影响逐渐减弱。叶轮出口轮缘周向的高压区传播至叶轮进口时,与叶轮出口高压区的周向位置存在相位差。在不同流量工况下,轮缘周向静压分布不均导致叶顶间隙泄漏流在周向的分布存在差异。在小流量工况下,泄漏流量呈现先减小后增大再减小的波动分布;在大流量工况下,泄漏流量呈现先增大后持续减小分布。另外,改变弯管与蜗壳非对称结构在周向上的相对位置,弯管出口流场畸变区域在周向上的位置会发生变化,从而改变了其与叶轮出口畸变流场的耦合作用效果,因此压气机性能发生变化。两种畸变流场间的相互作用会影响叶轮内部流场的周向均匀程度。当弯管出口低静压区域与叶轮出口高静压区域作用于相同叶片槽道进出口时,叶轮内部流场周向上的分布最不均匀,在这种情况下的压气机性能低于其他弯管安装角度下的压气机性能。为了保证安装弯管后离心压气机的性能下降程度较小,应该使弯管出口高静压区域与叶轮出口高静压区域施加于相同叶片槽道。基于上述原则,确定了压气机效率下降较小的弯管安装周向位置的选择范围。
【关键词】：离心压气机 非轴对称 间隙泄漏流 弯管进气 畸变
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V233
【目录】：

• 摘要5-6
• abstract6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 研究背景及意义10-13
• 1.2 国内外研究现状13-15
• 1.2.1 离心压气机进气畸变的研究13-14
• 1.2.2 离心压气机蜗壳周向不均匀的研究14-15
• 1.3 本文的重点研究内容及目的15-17
• 第二章 离心压气机数值模拟方法17-28
• 2.1 流动控制方程及离散方法18-21
• 2.1.1 流动控制方程18-20
• 2.1.2 控制方程的离散方法20-21
• 2.2 湍流模型21-22
• 2.3 计算域网格的划分22-26
• 2.3.1 近壁面网格的尺度22-23
• 2.3.2 网格的拓扑结构23-25
• 2.3.3 网格质量及无关性检查25-26
• 2.4 转静子交界面26
• 2.5 计算边界条件26-27
• 2.6 本章小结27-28
• 第三章 离心压气机内部流动特性研究28-50
• 3.1 实验研究对象和实验测量方法29-33
• 3.1.1 压气机性能参数的实验测量30-32
• 3.1.2 周向轮缘压力的实验测量32-33
• 3.2 离心压气机的计算模型33-36
• 3.3 离心压气机计算模型的分析验证36-38
• 3.3.1 离心压气机工作性能的分析验证36-37
• 3.3.2 离心压气机周向轮缘压力的分析验证37-38
• 3.4 离心压气机内部轮缘压力非轴对称现象38-43
• 3.4.1 叶轮轮缘壁面上静压周向分布特性38-41
• 3.4.2 叶轮出口压力扰动波在压气机叶轮内部传播的过程及规律41-43
• 3.5 离心压气机内部轮叶顶间隙泄漏流动非轴对称现象43-47
• 3.5.1 叶顶间隙泄漏在周向的差异43-45
• 3.5.2 叶顶间隙泄漏在轴向上的发展过程45-47
• 3.6 压气机内部气流的非定常特性47-48
• 3.7 本章结论48-50
• 第四章 弯管安装周向位置对离心压气机流动特性影响50-70
• 4.1 研究对象和计算模型51-53
• 4.2 弯管作用下压气机性能特性对比53-55
• 4.3 进气管道内部气流的流场特性55-56
• 4.4 弯管作用下压气机内部气流的流动特性56-68
• 4.4.1 安装弯管的叶轮进口静压场56-59
• 4.4.2 叶轮内部周向静压分布形式59-61
• 4.4.3 弯管模型性能差异原因分析及弯管安装角度的选择61-65
• 4.4.4 叶轮内部相对马赫数的分布65-66
• 4.4.5 叶顶间隙泄漏流量的分布66-68
• 4.5 本章小结68-70
• 第五章 全文总结与展望70-73
• 5.1 全文工作总结70-72
• 5.2 展望及对今后工作的建议72-73
• 参考文献73-78
• 附录78-79
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单79-80
• 致谢80

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