轴流压缩机的设计


自1884年科学家成功实验第一台多级轴流压气机以来,人们对轴流压气机的研究已经超过百年。但是由于压气机内部复杂的流动,人们仍然对压气机内部的流动机理研究得不够彻底。在一个轴流压气机转子内部,端壁附面层的影响会使近端壁的流体流速小于势流区。叶片排之间的泄漏流、角区分离、叶尖的间隙流使流动呈现强三维性;叶片排之间的相对转动和分离涡会使流动随时间变化。即使不考虑叶片排之间的互相影响,通道内的失速团也会使流动呈现非定常性和三维性。因此,设计压气机时应考虑压气机的三维性和非定常性,受当前的计算条件和理论水平的影响,并不能精确的模拟压气机通道内的流动,研究者们只能不断改进设计以求得更精确的设计方法。

在1940年之前,研究人员一般采用叶素理论进行压气机叶片的设计,这是一种孤立的叶型设计方法。40年代至50年代,吴仲华提出了三元流理论,采用S1、S2两类流面法进行压气机设计。1970年之后,Wennerstrom提出了准三维的设计方法,主要考虑了三维叶片的弯掠。而今,压气机设计已经进入了三维时代,主要的步骤为初始设计(一维设计)、通流设计、二维叶型设计、三维设计。


                                                                                                                                                                                                                            图1 设计流程


Turbotides中的轴流压缩机设计模式





1. 设置设计模式




点击菜单栏“求解器(Solver)”,选择“求解模式(Solver Mode)”,然后选择“设计(Design)”,选择“流量求解器(Flow based solver)”,如下图。



                                                                                                                                                                                                                         图2 设置分析模式



2. 运行设计向导



方式一:点击菜单栏“工具(Tools)”,选择“设计向导(Design Wizard)”。

方式二:点击工具栏中设计向导图标。



                                                                                                                                                                                                                          图3 运行设计向导



                                                                                                                                                                                                                              图4 欢迎界面



                                                                                                                                                                                                                              图5 流体设置


                                                                                                                                                                                                                           
                                                                                                                                                                                                                             图6 工况设置



设置所有选项和参数,如上图所示,点击“下一步(Next)”。



                                                                                                                                                                                                                           图7 设计设置



等半径选项:此选项为轴流压气机设计提供三种对齐方式。内径对齐(Hub)、中径对齐(Mid)、外径对齐(Tip),此算例选择“Mid”。

确定速度三角选项:此选项为确定基元级叶片排的入口,出口流动角。用户可以根据叶片排的入口出口流动角、级反动度(Reaction)、流量系数(Flow coefficient)、功系数(Working coefficient)的已知情况,选择对应的选项。此时选择第一个选项。

设置所有选项和参数,如上图所示,点击“下一步(Next)”。




                                                                                                                                                                                                                              图8 求解设置



如果点击“取消(Cancel)”按钮,所有的输入将会丢失,如果点击“完成(Finish)”按钮,程序将会按照下列2种选项之一处理 。

保存但不求解:此时求解器将不会运行。此项是默认选项,即使是因某些原因求解失败,也以确保用户所有输入得到保存。

求解并匹配运行条件:迭代步骤将会匹配用户指定运行条件。



                                                                                                                                                                                                                               图9 一维设计结果



                                                                                                                                                                                                                           图10 三维效果



注:为了更详细设计轴流压气机,提供了更多的参数输入接口。

(1)点击顶级菜单“求解(Solver)”,选择“求解设置(Solver Setting)”,弹出设计对话窗。选项卡“设置(Setting)”和上述设计设置一致。

(2)点击选项卡“几何(Geometry)”。对级数(Stage number)、设计参数(Design parameters)、叶片设计参数(Blade design parameters)设置。如下图所示。



                                                                                                                                                                                                                              图11几何设置



(3)点击选项卡“模型(Model)”。对阻塞模型(Blockage Model)、滑移模型(Deviation Model)、攻角模型(Incidence Model)进行设置。如下图所示。



                                                                                                                                                                                                                        图12 模型设置


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