【摘 要】
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离心压气机是一种利用离心力增加工质压力的装置,具有高压力、工作范围宽、结构简单、易于维护等特点,被广泛应用于各行各业。它是航空/地面/船用燃气轮机和内燃机涡轮增压器的主要部件,并发挥着巨大的作用。随着离心压气机的广泛应用,与之相应的是其能源的消耗也越来越大,因此提高离心压气机的性能对于能源的节约显得格外重要。离心压气机通流部件通常包括叶轮,扩压器和蜗壳等。离心压气机的稳定运行范围受到小质量流量下的
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离心压气机是一种利用离心力增加工质压力的装置,具有高压力、工作范围宽、结构简单、易于维护等特点,被广泛应用于各行各业。它是航空/地面/船用燃气轮机和内燃机涡轮增压器的主要部件,并发挥着巨大的作用。随着离心压气机的广泛应用,与之相应的是其能源的消耗也越来越大,因此提高离心压气机的性能对于能源的节约显得格外重要。离心压气机通流部件通常包括叶轮,扩压器和蜗壳等。离心压气机的稳定运行范围受到小质量流量下的失速和喘振以及大质量流量下的阻塞的限制。扩大离心压气机的工作范围一直是离心压气机研究和开发的重点和难点之一。高压比离心压气机通常采用叶片式扩压器以提高效率,但是由于扩压器通道内的气流分离导致的扩压器失速可能会限制压气机的工作范围。因此,改进叶片式扩压器的流动及其工作范围而不牺牲其扩压效果对提升离心压气机的整体性能有着积极的作用。为此,本文提出了一种具有开槽叶片扩压器的离心压气机的流动控制新方法。槽的高度占扩压器叶片高度的几个百分比,槽的指向与扩压器叶片的成一夹角。作者将该技术应用于两台涡轮增压器的离心压气机。对H180模型进行了轮毂开槽和轮缘开槽,发现轮毂和轮缘开槽能够有效拓宽离心压气机的稳定工作范围,并且轮毂开槽提高了离心压气机的效率将近两个点。数值模拟研究发现,当取合适的开槽高度在轮毂和轮缘上开槽都大大降低了压气机的数值喘振流量。轮毂开槽的流场分析表明,叶片的载荷驱使流体从压力面通过槽进入吸力面。因此,当扩压器以正攻角工作时,该流动对叶片吸力面处的端壁边界层产生抽吸作用,从而减小边界层可能发生的分离。当扩压器以负攻角运行时,气流在叶片的压力面处吸入端壁边界层一部分流体,从而延迟压力面气流的分离,所以轮毂开槽也提高了压气机的峰值效率。对H145模型进行了开槽,发现在原机上开槽并不能有效的拓宽离心压气机的稳定工作范围,是由于开槽前后叶轮出口段回流增加,同时熵值增大,开槽导致了叶轮损失增大,所以没有产生扩稳效果。所以对扩压器叶形进行了设计,提出了一种新的扩压器叶片,并且在新的扩压器叶片上进行了轮缘开槽,流场分析表明,开槽之后,叶片的载荷驱使流体从压力面通过槽缝进入吸力面,产生边界层抽吸作用和增加了端壁边界层动能,从而延迟边界层流动的分离,改善了扩压器流动。对H145压气机的17个新叶片扩压器进行开槽实验设计,定义了可能影响压气机性能的槽的几何参数或者因子,分别对喘振点和高效点进行了因子设计,筛选出对压气机性能影响显著的因子,并且分析了各个因子之间的交互作用,最终得到喘振点和高效点的回归方程,筛选出效率最高的两组实验因子,最后进行了仿真验证,验证了结果的可靠性。
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