某型微型离心压气机流场分析及其改型研究

摘要

随着现代航空工业的不断发展，微小型飞行器在现代军事、民用领域得到了广泛应用，在不久的将来，微小型飞行器将在各个领域担任越来越重要的角色。微小尺寸的发动机是微型飞行器的心脏，其中压气机部件是发动机极其重要的部件之一，因此，设计一款小尺寸、高压比、高效率的高性能压气机是目前研究的重点之一。在微尺寸发动机中，由于压气机的尺寸限制，对高精度制造难度较大，离心式压气机更为适宜，在制造难度上较低，此外，离心压气机单级压比要远高于轴流式压气机。由于离心压气机的流场较轴流式压气机更为复杂，对于高压比、高效率的压气机，需要通过很好的控制内部流动，同时考虑激波损失与附面层流动分离等，设计难度极高，设计高性能的离心压气机有很大的研究价值。
　　本文主要将应用于16daN推力的一种微型涡喷发动机中的离心压气机实施改型设计，要求改型后压气机能够达到20daN推力涡喷发动机的使用要求，改型后压气机满足给定设计指标的各项性能要求。根据原型涡喷发动机的离心压气机的结构，测量出压气机的叶型轮廓和通流通道的几何数据，利用三维建模软件UG建立压气机的实体模型，最后利用三维流体计算软件CFX对原型离心压气机进行流场计算，得到设计点工况下原型离心压气机的内部流场数据及总体性能参数，与试验数值进行对比，重点讨论了造成内部流动严重损失及使流场趋于复杂紊乱流动的原因，其中探讨了尾迹、二次流、分离流的影响因素。接着，针对原型压气机的几何外形尺寸，重新设计压气机部件，针对改型性能要求，改善压气机流动方向的大折转角度造成的恶劣分离流动，在不改变进出口径向尺寸的条件下，开展高压比、高转速、高效率的叶轮改型设计；另外，由于原型扩压器结构造成的严重的损失，流动控制效果较差，重新设计了扩压器叶片形式及布置方式，重新进行流场计算分析，将改型与原型进行对比分析。
　　最终设计结果表明，改型设计后离心压气机滞止等熵效率达到74.36％，流量达到0.4236kg/s，总压比为4.136，较原型分别提高了12.67%、9.17%和18.17%，均达到了设计指标。该型号离心压气机设计转速达到125000r/min，转速较高，在叶尖位置产生超音区域，在离心力和激波增压共同作用下，提升了离心压气机的增压能力。另外，改型后离心压气机出口参数更为均匀，叶顶处出口气流角大幅减小，从整体来看，出口气流角减小，均匀性提高。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 离心压气机的研究与进展

1.3 计算流体力学与CFD计算软件的发展

1.4 本文的主要研究内容

第2章 数值方法与离心压气机气动设计方法

2.1 数值方法及理论模型

2.2 离心压气机气动设计方法

2.3 本章小结

第3章 原型离心压气机数值计算研究

3.1 引言

3.2 原型压气机几何介绍

3.3 网格构造

3.4 流动特性分析

3.5 本章小结

第4章 改型离心压气机设计及数值计算研究

4.1 引言

4.2 离心叶轮气动设计

4.3 扩压器气动设计

4.4 改型压气机流动特性分析

4.5 本章小结

第5章 离心压气机改型前后结构与性能对比

5.1 引言

5.2 改型与原型压气机结构对比

5.3总体性能对比分析

5.4三维流场对比分析

5.5本章小结

结论

参考文献

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