新型旋流冲压发动机压气机设计与性能分析

摘要

冲压发动机结构简单，推重比大，但是其不能自身起动，需要助推器加速到一定速度才能工作，而其与涡喷发动机或涡扇发动机组合作为航空发动机使用时，又丧失了冲压发动机结构简单等优点。本文是以一种分布式压缩、旋流冲压发动机发明专利为选题依据。它利用旋流冲压，解决了现有冲压发动机不能低速启动和适应各种工况的问题。根据某微型涡喷发动机的压气机为基础，设计了同轴的两级离心压气机，并对其进行数值计算，展开了性能研究。主要内容如下：　　1.通过ANSYSBladegen对第一级离心叶轮进行设计，使用贝塞尔曲线对叶轮叶片的倾角、厚度进行调节，模拟不同静压出口得到压比与效率的最高点，接近工作点。　　2.分别对0%、3%、6%叶高的叶尖间隙进行研究，结果表明，叶尖间隙存在时会使叶轮轮罩面发生泄漏，加剧二次流的影响，但是叶尖间隙存在可以减弱叶轮出口的高速射流。通过对第一级扩压器的设计与第一级整机的数值模拟，得到了出口温度与出口压力。　　3.对回流器进行设计，分析了叶片数为8、9、10的回流器内部流动情况，表明回流器叶片越多，回流器出口压力、速度分布更均匀，但是出口压力减小的较多。　　4.完成第二级离心压气机设计，对两级离心压气机进行数值模拟，总压比达到了10.6。同时，在组合模拟时，第二级扩压器出口以及蜗壳出口的气体压力都要比分级模拟时的压力小些，这是由连接面流体流动不均匀造成的。　　5.对模拟喷管进行设计，在高压条件下，给予不同流量的入口条件做数值模拟，发现有两组压气机工作时，喷管出口的速度可以达到声速，为冲压发动机正常运行提供了条件。　　本文的研究结果表明，两组两级离心压气机与模拟喷管组合时，可以使喷管速度达到声速，即冲压发动机可以静态启动，为分布式压缩、旋流冲压发动机的研发提供了技术支持。

目录

声明

主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 几种新型发动机国内外现状

1.2.1 旋转冲压发动机

1.2.2 波转子

1.2.3 “佩刀”发动机

1.3 新型发动机重要部件的研究现状

1.3.1 两级离心压气机国内外现状

1.3.2 回流器国内外研究现状

1.4 本文研究内容

2 数值计算方法与第一级离心叶轮设计方法

2.1 CFD数值模拟方法

2.2 CFD控制方程

2.2.1 能量方程

2.2.2 动量方程

2.2.3 质量方程

2.3 湍流模型

2.3.2 标准k-ε模型

2.3.3 Realizable k-ε模型

2.4 第一级离心叶轮设计

2.4.1 叶轮设计方案

2.4.2 叶轮形式选择

2.4.3 第一级叶轮几何参数

2.4.4 叶轮叶片参数选择

2.4.5 子午面流道

2.4.6 第一级叶轮性能预测

2.5 叶片叶型参数选择

2.5.1 叶片倾角

2.5.2 叶片厚度

2.6 第一级离心压气机叶轮设计

2.6.1 第一级离心压气机叶轮叶片设计

2.6.2 贝塞尔曲线设计叶片造型

2.7 本章小结

3 第一级离心压气机流场模拟与性能分析

3.1 第一级叶轮的网格划分

3.2 边界条件设置

3.3 不同静压出口的性能分析

3.4 叶尖间隙对第一级叶轮的性能影响

3.4.1 叶尖间隙的影响简述

3.4.2 不同叶尖间隙的性能分析

3.4.3 不同叶尖间隙对第一级叶轮内部流动分析

3.5 第一级扩压器的设计及网格划分

3.5.1 第一级扩压器设计

3.5.2 第一级扩压器网格划分

3.6 第一级组合内部流动状态分析

3.7 本章小结

4 弯道、回流器设计与性能研究

4.1 回流器分段设计

4.1.1 U 型弯道设计

4.1.2 回流器叶片段设计

4.1.3 出口 L 型弯道设计

4.2 回流器组合计算预处理

4.2.1弯道、回流器模型建立

4.2.2 弯道和回流器网格划分

4.3 不同叶片数对回流器的影响研究

4.4 本章小结

5 第二级离心压气机设计及性能分析

5.1 第二级压气机叶轮设计

5.2 第二级扩压器设计及网格划分

5.2.1 第二级扩压器设计

5.2.2 第二级压气机网格划分

5.3 第二级叶轮性能分析

5.4 蜗壳的设计及网格划分

5.4.1 蜗壳的型线设计

5.4.2 蜗壳的网格划分

5.5 第二级整级流动情况分析

5.6 两级离心压气机组合流动情况分析

5.6.1 组合预处理

5.6.2 边界条件设置

5.6.3 两级离心压气机组合内部流动状况分析

5.7 本章小结

6 模拟喷管的设计及性能分析

6.1 模拟喷管数值模拟基本理论

6.1.1 基本分析假设

6.1.2 模拟喷管的控制方程

6.1.3模拟喷管数值模拟前处理

6.2 不同组压气机分布放置时喷管的流动分析

6.3 本章小结

结论与展望

1 结论

2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果