高膨胀比向心涡轮的气动设计与数值模拟

摘要

随着现代航空工业的迅速发展，航空活塞式发动机因其低油耗、高功重比和高可靠性的特点，在某些航空飞行器上得到了广泛应用。航空活塞发动机在高空飞行时，由于大气密度较低，发动机的进气量下降，因而功率难以满足要求，需要利用多级涡轮增压技术以提高活塞发动机的性能，提高飞行器飞行高度，同时为了减轻质量，涡轮增压器单级压气机增压比和涡轮膨胀比都比较高。
　　向心涡轮可在高膨胀比下正常工作，做功能力强，小流量下能保持较高性能，且制造成本低、便于安装，常用于涡轮增压器、微型涡轮发动机等机械的做功部件。气流在向心涡轮叶轮流道中从径向转到轴向，三维流动特征十分显著，同时由于叶轮转速一般都较高，离心力和哥氏力的影响较大，增加了叶轮内部流动的复杂性，从而给向心涡轮的设计和实验研究带来一定困难。近年来，随着计算机技术的快速发展，应用先进的 CFD技术开展涡轮设计已成为现代高性能涡轮设计的重要手段。
　　本文针对某航空活塞发动机涡轮增压器，开展高膨胀比、小流量、高效率的向心涡轮气动设计，利用 ANSYS系列软件进行数值模拟验证和强度校核分析，以满足设计要求，并对向心涡轮内部流场和叶片所受应力水平进行分析。
　　研究结果表明，本文设计的向心涡轮轮周效率数值计算值为76.4％，满足了设计要求；在压差作用下，叶顶吸力面产生强烈的泄漏流动，并向压力面发展，与吸力面和上端壁附面层流体以及横流相互掺混产生损失，为向心涡轮主要损失来源；在设计工况抽气量为17.5%时，抽气孔使其附近无叶涡轮箱出口马赫数降低，出口气流角增大；在相同转速下，向心涡轮的流量和功率随膨胀比的增大而增大直至出现堵塞状态，且在一定的膨胀比范围内，存在最佳膨胀比对应向心涡轮的轮周效率最高，随转速的降低，最佳膨胀比向较低值移动；对比不同截面形式的无叶涡轮箱，结构角为70°的梯形加倒圆形式的涡轮箱总压损失最低，轮周效率最高；在离心弯应力和拉应力共同作用下，叶片吸力面接近尾缘区域应力水平较大，且变形方向由吸力面到压力面，安全系数大于1.17，满足了设计要求。

目录

高膨胀比向心涡轮的气动设计与数值模拟

AERODYNAMIC DESIGN AND NUMERICALSIMULATION OF THE HIGN EXPANSION RADIORADIAL TURBINE

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 数值计算软件与数值模拟方法

2.1 引言

2.2 CFX 软件与数值模拟方法

2.3 ANSYS Workbench 平台介绍

2.4 本章小结

第3章 向心涡轮叶轮气动设计与数值模拟

3.1 引言

3.2 叶片设计方法简介

3.3 向心涡轮叶轮气动设计

3.4 向心涡轮叶轮数值模拟与分析

3.5 本章小结

第4章 向心涡轮无叶涡轮箱设计与数值模拟

4.1 引言

4.2 无叶涡轮箱的设计

4.3 涡轮箱与全流道叶轮数值模拟与分析

4.4 向心涡轮变工况特性分析

4.5 不同涡轮箱形式的向心涡轮数值模拟与分析

4.6 本章小结

第5章 向心涡轮叶轮强度分析

5.1 引言

5.2 强度分析方法

5.3 向心涡轮叶轮强度校核分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

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致谢