离心压气机非对称机匣扩稳研究

摘要

环境与能源问题困扰当今社会的可持续发展，节能减排成为时代主题。作为涡轮增压系统的重要部件，离心压气机提高了车用内燃机的燃油经济性和动力性能，降低了污染排放，同时克服了中高空、长航时无人机的动力技术难题，在现代化生产生活中发挥着不可替代的作用。增压技术在不同领域的广泛应用，对现代离心压气机的技术性能提出了更高的要求，在追求高压比、高效率的前提下，宽泛的工作范围是现代高转速高压比离心压气机的研究方向。因此，离心压气机内部流场和失稳机理被广泛研究；自循环机匣装置作为扩稳控制的常用方法，也引发了研究者新的关注。突破传统扩稳设计思想的新式非对称机匣装置，成为离心压气机扩稳研究的重点。
　　实现离心压气机的高效扩稳，必须掌握压气机的内部流场特征和失稳机理。本文从某型高转速高压比离心压气机的内部流场特征研究出发，首先确定了离心压气机数值计算方法的选取策略，利用单流道数值计算方法描述了离心压气机内部二次流主导的复杂三维流场，明确了叶顶间隙流动与其他二次流流动的互相作用是离心压气机流动损失的主要来源；紧接着利用相同的数值计算方法，研究了离心压气机在低流量工况的失稳机理，发现主叶片前缘叶顶间隙泄漏流、前缘激波以及吸力面附面层流体三者的相互作用产生的低能流体团是系统堵塞的重要诱因。特别是近失稳工况时，低能流体团横跨整个叶轮通道轮缘附近，堵塞恶化流场，诱发叶轮流场失稳。而后重点关注了诱发流道提前失稳的流场周向非对称性，并采用全周数值模拟方法，发现集气蜗壳的周向畸变是造成非设计工况系统内部流场的周向不均的原因，通过对周向静压畸变的逆流向传播的研究，提出叶轮的叶片数量、叶轮的旋转速度以及不同流量工况的特征等因素共同决定了系统周向畸变的强弱和周向分布形式，与系统稳定性密切相关，扩稳控制时需要重点关注。
　　离心压气机常见的扩稳控制方法是采用自循环机匣装置，本文进一步明确了自循环机匣装置的扩稳机理；而后针对传统机匣设计时与真实流动不符的周向对称假设，重点关注了叶轮周向失稳流动特征和对称机匣的全周扩稳效果。采用流场稳定参数衡量周向流道的稳定性，发现当流量降低时，周向畸变的存在破坏了部分流道的流场稳定性，个别流道首先失稳，当周向失稳流道数量到达临界流道数时，系统失稳。对称机匣装置对周向近失速流场的扩稳作用，主要通过出口静压驱动的回流量大小实现：周向静压的畸变造成了叶轮周向流道率先失稳，同时也为机匣装置的自适应提供动力。但是对称机匣装置对周向畸变的抑制有限，始终不能完全消除蜗舌引起的叶轮流场畸变，系统稳定工作的裕度不能达到最大，因此，有必要寻求自循环机匣装置周向设计的最优形式。
　　综合考虑压气机周向失稳形式和机匣装置的扩稳机理，明确了非对称机匣装置设计中需要考虑的相关因素，对非对称机匣装置在近堵塞工况和不同转速工况的适应性以及周向叶轮旋转效应对非对称机匣装置扩稳效果的影响进行了分析。并基于机匣装置扩稳控制的实现方式和现有非对称机匣装置的设计思想，提出并验证了非对称机匣装置设计的新方法。最后，利用新的非对称设计方法，针对原型离心压气机系统设计出一款新式非对称机匣装置，相较于传统对称机匣装置和基于 Zheng等人非对称机匣装置设计方法设计的方案稳定工作范围最高分别提升了9.5%和7.2%。

目录

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的研究目的和内容

第2章 数值计算方法

2.1计算方法

2.2控制方程与湍流模型

2.3数值计算网格

2.4求解方式与边界条件

2.5交界面连接

2.6计算方法验证

2.7 本章小结

第3章 离心压气机流场分析

3.1引言

3.2 流场特征及失稳机理

3.3压气机系统的周向不均匀性

3.4本章小结

第4章 对称自循环机匣装置扩稳机理研究

4.1 引言

4.2自循环机匣装置扩稳机理

4.3对称自循环机匣装置作用下的叶轮非对称流场

4.4本章小结

第5章 非对称自循环机匣装置设计

5.1 引言

5.2 设计理论

5.3设计方法

5.4非对称机匣装置设计

5.5本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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