离心压气机宽无叶扩压器旋转失速的诱发机理研究

摘要

微型燃气轮机广泛用于小型分布式发电及冷热电联供，其中离心压气机是微型燃气轮机中的重要设备之一，离心压气机在小流量工况下运行时会产生如旋转失速、喘振等非稳定流动现象。扩压器是离心压气机中的重要组成部件，宽无叶扩压器在较大的工作范围具有较高的效率因而应用广泛。因此研究离心压气机宽无叶扩压器内部的失速诱发机理，对失速的主动控制及扩压器的优化设计具有重要意义。
　　本文以带宽无叶扩压器的离心压气机为研究对象，对不同流量下扩压器内的流场进行研究。结果表明：无叶扩压器回流区首先出现在扩压器盘侧，随着流量系数的减小回流区在盘侧消失而出现在盖侧，流量系数进一步降低，扩压器两侧壁面都出现回流区，盖侧回流出现在扩压器入口处，盘侧回流则扩展到扩压器出口。由于壁面边界层分离涡及出口回流的存在，无叶扩压器内核心流发生畸变，继而诱发旋转失速。由模拟结果可知无叶扩压器内回流区和旋转失速没有必然的联系，回流区出现不一定导致旋转失速的发生。无叶扩压器入口流动角随着流量系数的降低而减小，无叶扩压器越宽，入口临界角对流量系数的变化越敏感。
　　对离心压气机失速状态进行非稳态模拟，研究失速工况下无叶扩压器的流动特征。得到如下结论：当无叶扩压器宽度比为0.141，失速发生时扩压器入口临界流动角为12.3°，扩压器内失速团旋转速度为0.42倍叶轮转速，失速团数目为1，当流量系数进一步下降失速团个数由1个增大到4个。无叶扩压器宽度比为0.182时，失速发生时扩压器入口临界流动角为9.98°，扩压器内失速团旋转速度为0.38倍叶轮转速，失速团个数为3个。离心压气机宽无叶扩压器中离心叶轮转速增加会使失速临界角变小，而无叶扩压器宽度的增大会导致扩压器内失速团无量纲旋转速度下降。无叶扩压器旋转失速的形成过程如下：回流首先出现在扩压器出口边界，随着叶轮旋转，回流逐渐向扩压器内部扩展，形成和流道数目相同的回流区，随着时间发展，回流区逐渐壮大并相互合并形成稳定的低速流体团。最终形成的低速流体团以约40%的叶轮转速旋转，并且低速流体团还存在自转，其自转方向与叶轮旋转方向相反。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 离心压气机与失速现象

1.3 离心压气机旋转失速研究现状

1.4 宽无叶扩压器失速的理论分析

1.5 本文研究的内容

第2章 无叶扩压器旋转失速的数值计算方法

2.1 数值计算方法

2.2 本章小结

第3章 宽无叶扩压器旋转失速模型

3.1 无叶扩压器模拟结果分析

3.2 性能分析

3.3 无叶扩压器非稳态分析

3.4 本章小结

第4章 宽度对扩压器旋转失速影响机制的研究

4.1 宽度比为0.182的离心压气机模型及网格划分

4.2 无叶扩压器模拟结果分析

4.3 性能分析

4.4 非稳态分析

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢