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高膨胀比向心涡轮的气动设计与数值模拟

作　者: 郑振江
导　师: 宋彦萍
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 向心涡轮气动设计数值模拟强度分析
分类号: V234.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着现代航空工业的迅速发展,航空活塞式发动机因其低油耗、高功重比和高可靠性的特点,在某些航空飞行器上得到了广泛应用。航空活塞发动机在高空飞行时,由于大气密度较低,发动机的进气量下降,因而功率难以满足要求,需要利用多级涡轮增压技术以提高活塞发动机的性能,提高飞行器飞行高度,同时为了减轻质量,涡轮增压器单级压气机增压比和涡轮膨胀比都比较高。向心涡轮可在高膨胀比下正常工作,做功能力强,小流量下能保持较高性能,且制造成本低、便于安装,常用于涡轮增压器、微型涡轮发动机等机械的做功部件。气流在向心涡轮叶轮流道中从径向转到轴向,三维流动特征十分显著,同时由于叶轮转速一般都较高,离心力和哥氏力的影响较大,增加了叶轮内部流动的复杂性,从而给向心涡轮的设计和实验研究带来一定困难。近年来,随着计算机技术的快速发展,应用先进的CFD技术开展涡轮设计已成为现代高性能涡轮设计的重要手段。本文针对某航空活塞发动机涡轮增压器,开展高膨胀比、小流量、高效率的向心涡轮气动设计,利用ANSYS系列软件进行数值模拟验证和强度校核分析,以满足设计要求,并对向心涡轮内部流场和叶片所受应力水平进行分析。研究结果表明,本文设计的向心涡轮轮周效率数值计算值为76.4%,满足了设计要求;在压差作用下,叶顶吸力面产生强烈的泄漏流动,并向压力面发展,与吸力面和上端壁附面层流体以及横流相互掺混产生损失,为向心涡轮主要损失来源;在设计工况抽气量为17.5%时,抽气孔使其附近无叶涡轮箱出口马赫数降低,出口气流角增大;在相同转速下,向心涡轮的流量和功率随膨胀比的增大而增大直至出现堵塞状态,且在一定的膨胀比范围内,存在最佳膨胀比对应向心涡轮的轮周效率最高,随转速的降低,最佳膨胀比向较低值移动;对比不同截面形式的无叶涡轮箱,结构角为70°的梯形加倒圆形式的涡轮箱总压损失最低,轮周效率最高;在离心弯应力和拉应力共同作用下,叶片吸力面接近尾缘区域应力水平较大,且变形方向由吸力面到压力面,安全系数大于1.17,满足了设计要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景及研究的目的及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-14
    1.2.1 涡轮增压器概况  10-12
    1.2.2 向心涡轮研究现状  12-14
  1.3 主要研究内容  14-16
第2章数值计算软件与数值模拟方法  16-27
  2.1 引言  16
  2.2 CFX 软件与数值模拟方法  16-25
    2.2.1 前处理软件  17-18
    2.2.2 控制方程  18-19
    2.2.3 基于有限元的有限体积法  19-22
    2.2.4 湍流模型  22-24
    2.2.5 边界条件  24-25
    2.2.6 后处理模块  25
  2.3 ANSYS Workbench 平台介绍  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章向心涡轮叶轮气动设计与数值模拟  27-49
  3.1 引言  27
  3.2 叶片设计方法简介  27-30
  3.3 向心涡轮叶轮气动设计  30-39
    3.3.1 一维设计参数选择  31-35
    3.3.2 一维设计结果分析  35-36
    3.3.3 叶型设计和径向积迭  36-39
  3.4 向心涡轮叶轮数值模拟与分析  39-47
  3.5 本章小结  47-49
第4章向心涡轮无叶涡轮箱设计与数值模拟  49-68
  4.1 引言  49
  4.2 无叶涡轮箱的设计  49-54
  4.3 涡轮箱与全流道叶轮数值模拟与分析  54-60
  4.4 向心涡轮变工况特性分析  60-63
  4.5 不同涡轮箱形式的向心涡轮数值模拟与分析  63-66
  4.6 本章小结  66-68
第5章向心涡轮叶轮强度分析  68-75
  5.1 引言  68
  5.2 强度分析方法  68-70
  5.3 向心涡轮叶轮强度校核分析  70-74
  5.4 本章小结  74-75
结论  75-77
参考文献  77-82
致谢  82

高膨胀比向心涡轮的气动设计与数值模拟

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