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WD095微型燃机离心压气机通流结构性能研究

作　者: 海洋
导　师: 谢蓉
学　校: 大连理工大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 半开式叶轮错排叶栅扩压器叶顶间隙分流叶片静应力分析
分类号: TK473
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

微型燃气轮机作为广泛用于小型分布式发电的动力装置,具有较为灵活、安全、洁净的优点,是一种廉价的发电和热电联供方式,符合国家对能源供给多样化的发展要求;而且微型燃气轮机可以用于我国缺水地区,这符合我国21世纪可持续发展的战略思想。但是由于微型燃机体积小、通流结构尺寸相对窄小,造成燃机元件的效率不高。针对这一现象,本文对某公司WD095型微型燃机的主要组成元件——离心压气机的通流结构和设计工况下的性能进行研究,以减少损失、进一步提高其效率。本文围绕离心压气机两大核心部件叶轮和扩压器开展了一系列研究。叶轮方面,主要完成了“半开式离心叶轮的叶顶间隙研究”和“离心叶轮分流叶片的偏置设计研究”。利用流场模拟计算软件NUMECA和有限元分析软件ANSYS,结合气动理论和结构分析理论,对离心叶轮通流结构展开详细研究。针对本文所研究的半开式离心叶轮,推荐了较为合适的叶顶间隙值为0.2mm。研究发现:合理地周向偏置分流叶片可以有效抑制流道横截面内的二次流动,明显改善叶轮流道内的流动状况;当分流叶片进口居中,而其出口与长叶片压力面之间的周向距离是两相邻长叶片之间的周向距离的44.4%时,叶轮性能最好。扩压器方面,从附面层控制技术出发,完成了两种叶型的错排叶栅扩压器的设计及性能初探。在一维热力设计的基础上,利用NUMECA分别计算分析了原设计叶型相似缩小和NACA-65叶型两种错排设计扩压器内的流动情况,得出:错排叶栅扩压器可以有效抑制扩压器内气流分离,减少损失,提高效率。目前,本文所研究的压气机叶轮和扩压器连算结构的效率较原设计结构可以提高2个多百分点,这说明错排叶栅扩压器具有较大的研究价值,有必要进行更为深入的研究。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-16
  1.1 课题研究背景和理论意义  10-11
  1.2 离心压气机的发展概况  11-13
    1.2.1 微型燃气轮机应用与发展  11-12
    1.2.2 离心式压气机的发展概况  12-13
  1.3 计算流体力学发展概况  13-15
  1.4 本文主要工作  15-16
2 数值研究方法及理论模型介绍  16-29
  2.1 引言  16
  2.2 流动控制方程  16-18
    2.2.1 通用Navier-Stokes方程  16-17
    2.2.2 方程湍流项处理  17-18
    2.2.3 旋转坐标系下相对速度表达式  18
  2.3 流动的流体模型  18-19
  2.4 流动的湍流模型  19-21
    2.4.1 软件中各湍流模型简介  19-20
    2.4.2 Spalart-Allmaras湍流模型  20
    2.4.3 湍流流动数值模拟简介  20-21
  2.5 网格及网格生成技术  21-24
    2.5.1 计算网格分类介绍  21-22
    2.5.2 NUMECA二维网格生成(blade to blade generation)  22-24
    2.5.3 NUMECA实体网格生成(3D generation)及网格质量评估  24
  2.6 空间离散及时间离散  24-27
    2.6.1 空间离散方程及通量表示法  24-25
    2.6.2 差分格式  25-26
    2.6.3 时间离散:多阶Runge-Kutta  26-27
  2.7 多重网格技术  27-28
    2.7.1 多重网格  27
    2.7.2 全多重网格  27-28
  2.8 隐式残差光顺法  28
  2.9 本章小结  28-29
3 离心压气机中半开式叶轮的叶顶间隙研究  29-44
  3.1 引言  29-30
  3.2 离心叶轮  30-32
    3.2.1 叶轮总能量头  30
    3.2.2 叶轮内部损失  30-31
    3.2.3 叶轮出口气流参数  31-32
  3.3 叶顶间隙对叶轮内部流动及气动性能的影响  32-39
    3.3.1 研究对象  32
    3.3.2 数值模拟  32-34
    3.3.3 结果分析  34-39
  3.4 叶轮变形的数值分析  39-43
    3.4.1 有限元分析软件ANSYS  39-40
    3.4.2 数值模拟  40-41
    3.4.3 结果分析  41-43
  3.5 推荐叶顶间隙  43
  3.6 本章小结  43-44
4 离心压气机中叶轮分流叶片的偏置设计研究  44-56
  4.1 引言  44
  4.2 分流叶片周向位置结构设计及数值模拟  44-48
  4.3 分流叶片周向偏置对叶轮性能的影响  48-53
    4.3.1 分流叶片周向偏置对叶轮性能的影响  48-49
    4.3.2 分流叶片不同周向偏置位置时叶轮流场分析  49-53
  4.5 叶轮流道当量扩张角与分流叶片偏置  53-55
    4.5.1 叶轮流道当量扩张角求取  53
    4.5.2 分流叶片周向偏置与叶轮流道当量扩张角  53-55
  4.6 本章小结  55-56
5 离心压气机错排叶栅扩压器的性能研究  56-74
  5.1 引言  56-57
  5.2 扩压器叶片造型设计的基本理论  57-58
  5.3 原设计扩压器叶型错排叶栅设计  58-61
    5.3.1 错排叶栅扩压器的提出与设计思想  58
    5.3.2 叶片造型  58-59
    5.3.3 数值模拟与分析  59-61
  5.4 新叶型错排叶栅扩压器设计  61-65
    5.4.1 叶片叶型一维设计及结构造型  61-64
    5.4.2 数值模拟及分析  64-65
  5.5 离心压气机叶轮带扩压器数值模拟  65-73
    5.5.1 渐缩子午流道扩压器带叶轮的数值模拟  65-69
    5.5.2 渐缩子午流道叶轮带错排叶栅扩压器的数值模拟  69-73
  5.6 本章小结  73-74
结论与展望  74-77
参考文献  77-81
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  81-82
致谢  82-83

WD095微型燃机离心压气机通流结构性能研究

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