微小型离心压气机设计与试验研究

admin · 发表于昨天 20:19

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由于中小型无人飞行器在国防军事领域和民用领域的广泛应用，极大地推动了中小型航空发动机的研制与发展。作为中小型无人飞行器的主要推进动力，中小型涡喷、涡扇发动机的研制工作在近些年得到快速的发展。离心压气机作为微小型涡喷发动机的一个关键部件，要求具有更加紧凑的结构尺寸、更高的总压比、更高的效率以及更宽的工作裕度。严苛的性能和尺寸要求为微小型离心压气机的设计工作带来了更多挑战，要得到完善合理的设计，需要设计人员对微小型离心压气机内部流动结构具备清晰的认识和了解。针对微小型、跨音离心压气机中间隙泄漏流动、低雷诺数流动等特点，本文采用数值模拟和实验相结合的方法，对微小型离心压气机的流场进行了深入分析；在此基础上，对微小型离心压气机开展了较为全面的设计和优化工作。本文首先采用相似理论对一个微小型离心压气机进行了模化改型设计工作，并采用全三维数值模拟方法对新型压气机的性能进行了校验与流场分析，其性能达到改型设计要求。本文对某微小型离心压气机三维流场进行数值模拟，得到了微小型离心压气机的跨音流动特点：叶轮进口出现明显的激波系，而且激波强度由叶中到叶尖逐步增加，受其影响，在分流叶片吸力面发生流动分离。在对压气机内部流场详细分析的基础上，本文对该离心压气机分流叶片叶型进行了优化设计，并对压气机轴向扩压器部分子午流道进行了改型设计。优化改型后的数值模拟研究结果表明，优化后的叶型控制了分流叶片吸力面的气流分离状况，压气机整级性能有所提高，总压比由3.65增加到3.7；改型后的扩压器控制了轴向扩压器内的流动分离，压气机整级性能提高：总压比提高1.85％，绝热效率提高2％。本文接下来采用数值模拟方法研究了叶尖间隙大小以及低雷诺数效应对微小型跨音离心压气机性能的影响。研究结果表明，随着叶尖间隙的增大，间隙泄漏流动对主流的作用在径向范围增强，泄漏流与主流的掺混向压力面移动；激波受到间隙流的干扰，向上游移动，激波与泄漏流动相互干扰产生的流动堵塞区域尺寸扩大，导致压气机整级效率、总压比和流量降低。低雷诺数效应对微小型离心压气机的性能影响较大：当压气机进口雷诺数衰减31.3％时，级总压比衰减1.12%，级效率衰减1.14％，工作裕度衰减11％。最后，本文设计和搭建完成了一个高转速、微小型离心压气机涡轮联合实验台。为达到较高的设计转速，该实验台采用压气机与涡轮同轴连接，联合建台的方式，由独立燃烧器提供驱动燃气。这种联合实验的方式设计复杂，安装、调试难度较大，在国内是首创型实验方式，非常具有研究意义。本实验台可以同时或者分别进行压气机、涡轮的部件实验，另外，还能够进行高速轴振动分析实验、涡轮增压器实验等等，是一个综合性实验平台。本文完成了微小型离心压气机的地面转速实验，解决了实验台振动超限题目，目前工作转速达到46000rpm，得到了压气机的性能曲线，获得了该离心压气机的实验性能。

微小型离心压气机设计与试验研究

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