离心压缩机叶片的几何设计及结构研究

作     者：王友涛 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙洪玉

授予年度：2016年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：叶片设计 性能计算 流固耦合 叶顶间隙 

摘      要：离心式压缩机是一种旋转式叶轮机械,它通过叶轮的高速旋转来加速气体,提高气体的动能和压力,进一步通过扩压器使气体减速升压,从而得到符合使用标准的压缩气体。由于其具有工作流量大、结构紧凑、效率高等优点,被广泛应用于国民生产的多个领域中。叶片作为离心压缩机内部最重要的部件,其形式和结构直接影响到压缩机的性能和工作范围,有必要对其进行深入地研究。利用Bezier曲线造型方式,设计了叶轮子午面型线;以子午面轮毂和轮缘型线的相对长度为自变量,分别为轮毂和轮缘确定叶片角加载方式,据此设计了三种不同叶片加载方式的叶片。通过数值模拟分析可知,当轮毂采用前部加载方式、轮缘采用中间加载方式时得到的叶轮有最好的性能,且叶片表面静压分布较为均匀。在探究了叶片厚度对于压缩机性能的影响以后,对不同厚度的等厚度叶片进行了流固耦合分析,以分析不同厚度的叶片在运行过程中的应力分布和变形情况。流固耦合过程中,分别考虑了叶片压力载荷的作用、离心载荷的作用以及两种载荷的协同作用。由流固耦合结果分析可知：相比叶片压力载荷,离心载荷对于叶片的应力分布和变形影响更大;两种载荷在协同作用时会增大叶片的变形量,但不一定会增加叶片的最大等效应力;叶片的危险点出现在叶片前缘叶根处,最大等效应力位于该位置的压力面上;叶片变形量最大值出现在叶片前缘叶顶处。普遍认为,半开式离心压缩机叶轮顶部叶顶间隙的存在对压缩机性能有一定削减作用。基于此,建立了六种不同叶顶间隙高度的叶轮,通过数值模拟方法研究叶顶间隙对于压缩机性能和流动的影响。由数值模拟结果可知：叶顶间隙高度的增加会进一步降低压缩机的效率和总压比;叶顶间隙的存在影响了叶顶附近的静压分布,使叶顶区域的叶片载荷趋于均匀;随着叶顶间隙高度的增加,叶顶间隙泄漏量的流量呈直线趋势增加;叶顶间隙的存在对于主流有着明显的影响,其影响区域主要集中在流向后部叶道的上部区域;叶顶间隙流对于扩压器内流动的影响会从扩压器入口延续到扩压器出口。本文的研究结果可以对半开式径向离心压缩机的叶轮设计和优化提供参考。