微型向心涡轮叶轮设计技术的数值研究

论文摘要

本文以微型涡轮发动机的发展为背景,对微型向心涡轮叶轮的设计进行了研究,采用三维粘性数值模拟方法研究了影响叶轮性能的叶片角度分布、进口斜流角度、以及大小叶片方案等设计因素。首先,对比分析了6种不同的叶片角度分布下的微型向心涡轮叶轮性能,并研究了进口斜流角度以及叶片长度变化对叶轮性能的影响。结果表面,叶片角度分布采用上凸式单调递增,叶根斜流角度取0度,叶尖斜流角度取30度,叶片长度为30mm的叶片造型,总体性能较好。其次,针对两种不同直径的微型向心涡轮叶轮的叶片数变化对性能和内部流场的影响规律进行了研究。结果表明,直径为76mm的叶轮,叶片数取在14～17片时,总体性能较好;直径为38mm的叶轮,叶片数取10片时,总体性能较好。再次,分析和研究了小叶片的长度变化以及周向位置的分布对大小叶片式微型向心涡轮叶轮的性能和内部流场的影响。结果表明,增加小叶片的长度有利于增加其效率和做功能力,当采用大小叶片周向均布的时候叶轮总体性能较好。最后,对比有无小叶片的叶轮,效率最高时的叶片结构发现:在设计转速下,采用8片大叶片和8片长度是大叶片90%的小叶片结构的叶轮与17片大叶片的叶轮相比,不仅流量提高0.5%,效率增加约1%,轮周功提高约0.9%,而且重量也有所降低。综合本文研究的各项因素,最终获得了一个微型向心涡轮叶轮的设计方案,在转速为125000r/min时,流量0.4kg/s、效率85%和轮周功不低于210kJ/kg。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及工程应用价值
• 1.2 微型向心涡轮的工程应用
• 1.3 微型向心涡轮叶轮设计技术的国内外研究动态
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 向心涡轮工作原理和一维气动热力计算
• 2.1 向心涡轮的工作过程和工作原理
• 2.2 向心涡轮叶轮性能的相关重要参数
• 2.2.1 向心涡轮叶轮的功和功率
• 2.2.2 向心涡轮的效率
• 2.3 微型向心涡轮一维热力估算
• 2.4 选取向心涡轮叶轮设计中叶片数的初步分析
• 2.5 小结
• 第三章 数值模拟方法与叶轮参数化造型和网格生成
• 3.1 旋转坐标系下的流动控制方程
• 3.2 湍流模型和数值计算方法
• 3.2.1 湍流模型
• 3.2.2 数值计算方法
• 3.3 叶轮参数化造型和网格生成
• 3.3.1 向心涡轮叶轮造型
• 3.3.2 向心涡轮叶轮的网格生成
• 3.4 小结
• 第四章 微型向心涡轮叶轮叶片三维造型研究
• 4.1 微型径流涡轮叶片角度分布对性能参数和流场的影响
• 4.1.1 向心涡轮叶轮不同叶片角分布内部流场分析
• 4.1.2 向心涡轮叶轮不同叶片角分布对于性能参数的影响
• 4.2 微型径流涡轮叶片进口斜流角对性能参数和流场的影响
• 4.2.1 斜流角在叶尖和叶根处相同时的变化对向心涡轮叶轮性能的影响
• 4.2.2 斜流角在叶根取0 度叶尖斜流角变化对涡轮叶轮流场和性能参数的影响
• 4.3 微型径流涡轮叶片轴向长度对性能参数和流场的影响
• 4.3.1 不同涡轮叶片轴向长度流场分析
• 4.3.2 不同涡轮叶片轴向长度性能对比分析
• 4.4 小结
• 第五章 微型向心涡轮叶轮选取最佳叶片数的研究
• 5.1 直径76mm 的向心涡轮叶轮叶片数对性能的影响
• 5.1.1 不同叶片数下的涡轮叶轮内部流场分析
• 5.1.2 不同叶片数下的涡轮叶轮性能参数对比分析
• 5.2 直径38mm 的涡轮叶轮叶片数对性能的影响
• 5.3 微型向心涡轮叶轮叶片稠度对性能影响的探讨
• 5.4 小结
• 第六章 大小叶片式微型向心涡轮叶轮设计研究
• 6.1 小叶片长度变化对微型向心涡轮叶轮性能的影响
• 6.1.1 小叶片长度的变化对涡轮叶轮内流场的影响
• 6.1.2 小叶片长度的变化对微型向心涡轮叶轮性能参数的影响
• 6.2 小叶片周向位置变化对微型向心涡轮叶轮性能的影响
• 6.2.1 小叶片的周向位置的变化对微型向心涡轮叶轮内流场的影响
• 6.2.2 小叶片的周向位置的变化对微型向心涡轮叶轮性能参数的影响
• 6.3 带有小叶片的微型向心涡轮叶轮折合叶片数的研究
• 6.4 对比有无小叶片的微型向心涡轮叶轮性能
• 6.5 小结
• 第七章 总结
• 参考文献
• 学位论文附录
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文及科技成果