分流叶片对离心压气机性能影响研究

摘要

分流叶片已大量使用于离心叶轮，但有关分流叶片的设计准则还不成熟，仍然处于研究阶段。本文基于MTE-D微型涡轮发动机，采用数值模拟的手段开展了分流叶片的长度和周向位置、叶尖间隙等对微型离心叶轮性能耦合影响的研究。主要工作有：
　　1、采用S-A湍流模型，分别采用网格总量为60万，86万，110万，115万的网格对所研究的微型离心叶轮数值计算，分析得到网格密度对叶轮性能及叶轮内流场参数的影响，根据分析结果选取总量86万的网格用于本文数值研究。
　　2、研究了叶尖间隙、分流叶片周向位置变化对叶轮性能的耦合影响。叶尖间隙0.3mm叶轮效率和压比明显低于无叶尖间隙离心叶轮，叶尖间隙泄漏流是叶轮性能下降的重要原因。叶尖间隙对叶轮叶根处熵增分布影响较小，对叶中处熵增分布影响有所增大，对叶尖处熵增分布影响最大。有/无叶尖间隙流时叶轮通道中流场差异较大，造成损失的主要因素也不同：叶尖间隙0.3mm叶轮通道中，大损失区主要是受叶尖间隙泄漏流影响，低能流体聚集于通道顶端，在叶轮出口接近占通道1/3；无叶尖间隙时，大损失区主要受叶片吸力面与轮盖的角区附近附面层流体分离影响，通道中流体分离主要位于叶片吸力面与叶轮轮盖的角区，左右通道中分离涡的产生和发展情况明显不同。
　　叶尖间隙不同时，分流叶片从主叶片吸力面附近往主叶片压力面附近偏移，叶轮性能都是先上升后下降，存在最佳位置，但由于叶轮内主要损失机理随间隙大小发生改变，故分流叶片周向最佳位置同样发生变化；分流叶片处于周向最佳位置时，不同叶尖间隙的叶轮内具有左右通道熵增接近一致的共性。
　　3、研究了分流叶片长度对叶轮流场性能的影响及其与叶片数耦合关系。分流叶片长度变化对叶轮叶根和叶中位置的流场影响相对较小，对叶尖位置流场影响更大。分流叶片长度变化，影响对叶轮通道内附面层内流体分离及叶尖泄漏流等二次流约束作用，从而影响通道内低速区，进而影响分流叶片前流体及流入两侧通道的流体；另外分流叶片长度变化，还会影响叶轮内部摩擦损失；分流叶片过长或过短叶轮性能都会下降。叶轮叶片数对分流叶片最佳长度有影响，随着叶片数减少，分流叶片最佳长度变长。
　　4、改进设计了MTE-D微型离心叶轮。采用上文研究所得分流叶片长度及周向位置的设计规律，对叶轮分流叶片进行改进设计。优化后叶轮峰值效率较原型提高1.3％，对应工作点压比提高0.07。

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注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现况

1.3 研究目标和内容

第二章 数值计算方法及校验

2.1 数值计算对象

2.2 数值模拟方法

2.3 不同网格密度的数值计算结果

2.4 本章小结

第三章 分流叶片周向位置对微型离心叶轮性能的影响

3.1 计算方案

3.2 计算模型及方法

3.3 叶尖间隙对微型离心叶轮性能及流场特征的影响

3.4 分流叶片周向位置对叶轮性能影响

3.5 本章小结

第四章 分流叶片长度对微型离心叶轮性能的影响

4.1 计算方案

4.2 叶片数为10个主叶片10个分流叶片时分流叶片长度对叶轮性能的影响分析

4.3 分流叶片长度与叶片数对叶轮性能影响的耦合分析

4.4 本章小结

第五章 MTE-D微型离心叶轮改进设计

5.1 叶轮叶片数优选

5.2 分流叶片改进设计

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要工作及结论

6.2 展望与建议

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文