半开式离心叶轮叶顶间隙流动特征的数值分析

摘要

离心压缩机由于其效率高、压比高以及安全工作范围大等一系列优点广泛应用于涡轮增压器和涡轮发动机中。叶轮作为其主要工作部件之一,其性能的优劣直接决定了离心叶轮效率的高低。近年来,半开式离心叶轮由于其压比高、圆周速度大等优点广泛应用于石化和冶金领域中,但是叶轮流动损失主要是由于叶顶间隙流引起的,间隙泄漏涡流和二次流与边界层流相互作用对叶轮气动性能以及叶轮出口流场有重要的影响。为明确半开式离心叶轮的间隙值与间隙气流对叶轮气动性能的影响规律,本文采用数值计算方法分析了叶顶相对间隙值0-10％下的叶轮气动性能、叶片载荷分布、间隙泄漏量、熵、熵增等流动参数的变化规律。
　　对典型离心叶轮的数值计算和分析发现,间隙的存在导致叶轮性能降低,但是这种降低可以是线性的或者分段线性的关系;间隙泄漏量与载荷具有相同的分布规律,证明叶顶载荷是叶轮内泄漏程度的主要控制因素;在设计工况下,间隙的存在只影响流道后半段的叶顶表面静压分布,在非设计工况下,间隙还会影响叶片前缘位置附近的区域,同时在流道中部压力面侧存在明显的压力快速降低和回升现象,这是由间隙进口强烈气流加速运动造成的;间隙流在不同工况运行状态下形成间隙涡流,其本身的能量损失较小,但间隙流横穿间隙后与主流相互掺混造成的损失是引起叶轮效率降低的主要因素。
　　本文的研究结果为离心叶轮的设计、改进提供了有价值的数值研究依据。

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第一章 绪论

1.1 离心叶轮的发展

1.2半开式离心叶轮的研究

1.3 叶轮机械内部流动数值模拟方法

1.4本文主要工作

第二章 离心叶轮内部流动的数值模拟

2.1 气体动力学的基本方程

2.2湍流基本方程

2.3标准k?ε两方程模型

2.4 离心压缩机基本性能参数

2.5 激波的基本气流参数

第三章 设计工况下半开式离心叶轮的数值模拟

3.1 Eckardt叶轮

3.2离心叶轮数值求解方法

3.3网格独立性检验以及实验验证

3.4 结果分析

3.5小结

第四章 非设计工况下半开式离心叶轮的流动分析

4.1 叶顶间隙对叶轮性能的影响

4.2 叶顶载荷与内泄漏量

4.3 马赫数分布

4.4 叶顶间隙压力及流动

4.5 叶顶间隙损失

4.6 小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢