基于控制变量法对某跨音速离心压气机进行数值模拟,研究了叶轮尾缘叶间隙改变对其气动性能的影响。仅改变该离心叶轮的尾缘叶顶间隙,在设计转速下进行全三维黏性数值模拟,对相关气动参数进行分析。计算结果表明,相较于小流量工况,尾缘叶顶间隙的改变对离心压气机大流量工况的气动性能影响更大;在设计流量下,离心叶轮的压比、效率与叶轮尾缘出口间隙大小之间具有一定的线性关系,随着叶尖间隙增大,叶轮叶尖泄漏流的强度明显增强,导致叶轮的增压能力下降。

为研究压气机叶栅吹吸气体对附面层分离控制和气动性能的影响,利用数值计算的方法对叶栅流场进行模拟。首先研究吸气量对叶栅气动性能的影响规律,研究结果表明,当吸气孔的位置在距离叶片前缘60%的轴向弦长处时,存在一个最佳吸气量,当吸气量等于进气量的0.8%时,叶栅吸气对附面层分离的抑制效果最佳,对压比的提升最明显。提出四种叶栅开孔吹吸气方案,即吸附式叶栅、吸吹式叶栅、吹吸式叶栅和双吸式叶栅,通过流场和气动性能的对比,发现双吸式叶栅对附面层分离的抑制效果和对气动性的改善效果均最为显著。

针对燃气轮机压气机流场产生的气动阻尼影响含裂纹叶片振动特性问题,采用数值计算对气动阻尼下含裂纹压气机叶片振动特性进行研究。将裂纹悬臂梁的一阶弯曲振动简化为单自由度系统,引入呼吸式裂纹刚度模型,改变阻尼系数模拟气动阻尼,利用四阶Runge-Kutta法和快速傅里叶变换,得到悬臂梁相关振动特性图,分析气动阻尼与结构振动的关系。研究结果表明气动阻尼的存在缩短了振动到达稳态的时间并抑制了稳态幅值和振动的非线性。

针对轴流压气机在低工况工作条件下附面层分离的问题,运用NUMECA软件对rotor37动叶的三维流场进行模拟。选取不同的吸气位置、吸气量研究条件改变时叶栅气动性能的变化规律。数值模拟的结果表明:吸气孔的位置应根据激波发生的位置选取,吸气孔在距离叶片前缘50%轴向弦长位置时,叶栅吸气对附面层分离抑制效果最佳;吸气孔位于此位置时,当吸气量等于进气量的0.4%时,对压比和效率提升较高,但随着抽吸量的增大,压比和效率的提升幅度最终会减小,因而不能为了提升压比和效率而只是简单地增大吸气量。

采用正问题设计方法设计了一个压比为4.2的离心压气机模型。根据压缩系统边界条件约束,首先进行了一维计算,获取叶轮的轮廓图,然后采用参数化建模方法建立了含分流叶片的三维模型,运用CFX软件对不同叶片稠度下的叶轮气动热力学进行了对比数值计算,分析叶轮内部流场及其性能,最终选定9叶片的叶轮为最佳方案。在扩压器的设计方面,提出了一种叶片高度逐渐增加的有叶扩压器模型,并使用CFX对设计的扩压器模型与普通的扩压器进行了数值计算,定量分析其扩压机理及其总压损失特性,计算结果表明所设计的扩压器扩压效果明显优于普通的扩压器。所得结果可为离心式压气机的气动设计提供理论参考。

以海军工程大学压气机试验台第一级转子为研究对象。首先分别对初始叶型和改变叶片安装角的叶型运用NUMECA软件进行数值模拟研究,得出改变叶片安装角对叶片稳定工作范围的影响,并确定叶片最佳安装角为+4°。接下来以最佳的叶片安装角叶片为原型,对该叶型进行附面层抽吸处理,并在气动性能方面与抽吸前的叶型进行对比,得出对叶片进行附面层抽吸处理后,叶片分离尾迹区宽度明显减小,流动分离明显减弱,叶片负荷增加的结论。