航空小型高压比增压器压气机气动设计报告.docx
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航空小型高压比增压器压气机气动设计报告
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目录
一、设计要求 1
二、设计分析 2
三、一维设计 2
三、三维详细设计 5
3.1叶轮设计结果 5
3.2机匣处理 5
3.3蜗壳设计结果 6
四、设计工况CFD分析 7
4.1计算网格与边界条件 7
4.2设计工况CFD计算结果 8
五、叶片强度与模态分析 11
六、压气机性能预估 11
七、结论 15
八、附表 16
一、设计要求
本项目设计的离心压气机将用于航空小型柴油机上。
该压气机需满足从起飞到7000米高空的运行范围,对压气机的压比和流量覆盖范围的要求都非常高。
加上航空用设备都要求重量尽量轻,所以需尽量降低压缩机尺寸。
详细设计要求:
1)压气机叶轮出口直径≤52mm(最佳设计目标≤50mm),增压器最高转速
≤210000r/min,以保证增压器轴承系统可靠运行;
2)压气机叶轮采用直纹面设计,以保证铣削加工效率;
3)压气机必须采用无叶扩压结构,以控制整机重量,压气机叶轮优先选用7075锻造铝合金加工,为了提升压气机叶轮强度,不排除采用钛合金铣削加工的可能性;
4)压气机增压后的温度目标值低于200℃(分别在进口温度为-10℃和-20℃下计算及测试),瞬间使用温度不允许超过230℃。
5)因为项目产品为高空运行,性能设计过程中,重点考虑高空运行的性能、可靠性,可以牺牲部分低空性能,具体设计目标见附图及附表(4000m为经常应用区域,同步考虑
7000米及平原起飞工况):
Compressor
PressureRatio-0PressureRatio-4000PressureRatio-7000
3.00
PressureRatio
2.80
2.60
2.40
2.20
2.00
1.80
1.60
1.40
1.20
1.00
0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140
CorrectedMassFlow(kg/s)
图1增压器不同海拔高度设计运行工况
表1压气机性能设计关注点数据,设计过程目标参考
设计点1(折合流量/压比/
参考效率)
设计点2(折合流量/压比/
参考效率)
设计点3(折合流量/压比/
参考效率)
设计点4(折合流量/压比/
参考效率)
设计点5(折合流量/压比/
参考效率)
海拔
0m(计算
温度
0.053/1.96/64%
0.067/2.20/66%
0.081/2.40/68%
0.094/2.56/69%
0.106/2.86/70%
25℃)
海拔
4000m(计
算温度-
0.075/2.74/66%
0.086/2.96/68%
0.096/3.10/70%
0.105/3.22/72%
0.115/3.35/70%
10℃)
海拔
7000m(计
算温度-
0.083/2.99/66%
0.095/3.21/67%
0.105/3.37/68%
0.115/3.52/68%
0.126/3.68/68%
20℃)
二、设计分析
由于该压气机将用于航空用途的小型柴油机增压器上,需要满足从起飞到7000米高空的运行范围,对压气机的压比和流量覆盖范围要求都非常高,加上航空用设备要求重量尽量轻,需要尽量降低压气机尺寸。
为了获得足够的流量覆盖范围和尽量高的效率,需采用全三维气动优化设计方法,确保压气机性能。
从设计要求中的压气机运行曲线来看,与常规的螺旋桨推进特性不同。
对于高压比压气机来说,该压气机要求的流量范围很大,部分工况可能需要采用在叶轮罩壳上开放气槽的机匣处理方法,才能满足使用要求。
由于该压气机压比较高,选择了设计要求的最高压比3.68作为设计点,然后结合CFD软件对压气机的多个工况进行优化,使其具有尽量宽的高效区覆盖范围。
由于该压缩机尺寸很小,粗糙度对性能影响较大,所以在设计和CFD分析时都需要对粗糙度进行专门考虑。
由于该压气机压比高,几何尺寸小,所以叶片表面粗糙度建议做到Ra=1.6,蜗壳内流道表面粗糙度尽量做到Ra=6.3。
21
三、一维设计
航空用增压器需要尽量降低几何尺寸,减轻重量。
但是过小的几何尺寸对压气机气动性能影响较大。
为了在尽量降低增压器重量和几何尺寸的要求下,获得较理想的气动性能,对多个转速的设计结果经行了对比。
将轮径控制在48mm时,进口马赫数较高,达到了1.23。
这将使得叶轮很难获得较大的流量范围。
轮径50mm时,转速200000rpm,进口叶尖平均马赫数略有下降,但是仍然较高,达到了1.165。
流量范围仍然受一定影响,但基本满足使用要求。
转速下调到180000rpm时,轮径增加到了54mm,进口平均马赫数下降到了1.073,这将使机组流量范围较前面两个方案能有较大的提升。
综合考虑后,选择了转速200000rpm作为设计转速,轮径50mm。
高压比压气机为了控制吸力面峰值马赫数,降低激波附面层干涉后造成的损失,需要比低压比压气机更多的叶片。
小尺寸压气机叶片数都相对较少。
为此,采用7组和9组叶片方案进行了对比。
7组叶片时,由于吸力面峰值马赫数较高,激波强度较大,激波与附面层干涉造成了局部气流分离。
9组叶片时,吸力面峰值马赫数有较大的下降,激波附面层干涉只造成了附面层增厚,而没有发生局部分离。
从气动角度考虑,9片叶片更好。
由于叶轮尺寸较小,在与加工人员沟通后,认为9片叶片叶根喉口宽度太窄,现有刀具很难加工,最终选择了8组叶片。
设计工况,软件一维预估等熵效率0.756。
由于叶轮几何尺寸较小,受制造误差和叶片表面粗糙度影响较大,所以实际效率可能略低于该数值。
压气机子午面基本几何尺寸见表2,一维设计结果见图2。
表2压气机子午面几何尺寸
名称
单位
数值
进口叶根半径
mm
5.5
进口叶尖半径
mm
16.5
叶轮轴向长度
mm
17.5
叶轮出口半径
mm
25
叶轮出口宽度
mm
2.5
扩压器出口半径(蜗壳进口半径)
mm
38
扩压器出口宽度
mm
2.2
转速
rpm
200000
叶片数
组
8
进口叶尖间隙
mm
0.15
出口叶尖间隙
mm
0.15+轴承窜动量
图2一维设计结果
一维设计完成后,采用软件进行了一维性能计算,计算结果见图3
图3一维预估性能曲线
三、三维详细设计
3.1叶轮设计结果
一维设计完成后,结合CFD软件,对子午面型线分布和叶片角度分布进行设计和优化。
为了降低制造成本,提升叶片表面光洁度,采用了直纹面叶片,并在三维CFD软件中进行了优化,提升叶片加工质量。
叶片形状见图4,叶片几何数据见电子版的叶轮三维模型。
叶轮子午面型线坐标见附表一。
3.2机匣处理
为了拓宽压气机流量范围,采用了在叶轮罩壳开放气槽的机匣处理方法,开口位置与宽度
见图5。
小流量状态下,叶轮罩壳上的开口会泄掉部分气流回到进口,形成自循环,降低进口攻角,延缓进口气流分离,增加压气机喘振裕度。
小流量下叶轮罩壳开口的流场见图6、7。
图4叶轮三维模型图5叶轮罩壳开口位置
图6机匣处理区小流量适量分布图7机匣处理区小流量流线分布
3.3蜗壳设计结果
蜗壳截面形状见图8,各截面几何数据见表3。
图8蜗壳截面示意图
表3蜗壳截面几何数据
截面角度
360
330
300
270
240
210
蜗壳进口半径
38
38
38
38
38
38
进口宽度
2.2
2.2
2.2
2.2
2.2
2.2
R1
10.34
9.87
9.39
8.88
8.34
7.78
R2
3
3
3
3
3
3
截面角度
180
150
120
90
60
30
蜗壳进口半径
38
38
38
38
38
38
进口宽度
2.2
2.2
2.2
2.2
2.2
2.2
R1
7.18
6.53
5.83
5.02
4.08
2.82
R2
3
3
3
2.8
2.6
2.3
四、设计工况CFD分析
4.1计算网格与边界条件
整周叶轮加蜗壳计算几何模型见图8,网格数和设计工况边界条件见表4。
表4网格数与设计工况边界条件
名称 数值
叶轮网格数 7738432
蜗壳网格数 1176039
湍流模型 k-Epsilon
叶轮与扩压器表面粗糙度 Ra=1.6
蜗壳内表面粗糙度 Ra=6.3
进口总压 101325Pa
进口总温 298K
出口静压 270000Pa
转速 200000RPM
图8叶轮加蜗壳组合计算几何模型
4.2设计工况CFD计算结果
子午面静压分布见图9。
图中显示叶轮和扩压器中静压分布均匀,满足性能要求。
叶片表
面静压分布见图10。
图中显示,叶片表面静压分布均匀上升,90%叶片高度吸力面子午方向34%位置静压下降。
主要是由于该状态下,90%叶片高度还处于堵塞状态,气流经过喉口后出现加速,造成压强下降。
图11中的马赫数分布也显示了该现象。
图9叶轮子午面静压分布 图10叶片表面静压分布
图11、12、13分别是90%、50%、10%叶片高度回转面马赫数分布。
图中显示,叶片进口三角区峰值马赫数约1.4,对高压比压气机来说,已经非常低,能有效的降低进口激波强度。
90%叶片高度通道内出现了较强的通道波,主要是由于该叶轮压比较高,且接近堵塞的,属于正常现象。
在激波与附面层干涉,未造成气流分离的情况下,激波不会造成较大的损失,从图
14可以可见,该激波未造成气流分离,所以该激波不会对性能造成较大的影响。
各截面马赫数分布合理,满足设计的要求。
图14、15、16分别是90%、50%、10%叶片高度回转面速度矢量分布。
图中显示,叶片表面无气流分离,90%叶片高度靠近出口段的通道中出现了较大的低速区,这主要是由于该叶轮较小,叶尖间隙与叶片的相对高度较大,间隙泄漏气流形成的泄漏涡造成的。
图17中叶尖间隙泄漏气流流线分布也很清楚的反应了该现象。
图1190%叶片高度马赫数分布 图1250%叶片高度马赫数分布
图1310%叶片高度马赫数分布 图1490%叶片高度速度矢量分布
图1550%叶片高度速度矢量分布 图1610%叶片高度速度矢量分布
图17叶尖间隙泄漏流流线分布图18蜗壳流道表面静压分布
图18是蜗壳流道表面静压分布,图中显示蜗壳内静压分布均匀,能使机组获得较大的流
五、叶片强度与模态分析
量覆盖范围和高效区。
叶轮应力分布见图19。
转速220000rpm时,叶片最大应力285MPa。
7050铝合金屈服强度在435Mpa以上,具有足够的安全系数,满足强度要求。
叶轮模态分析结果见图20。
前三阶是整个叶轮的摆动和绕轴转动,在评估叶片频率时,可以不用专门考虑。
整个叶轮的摆动受连接方式和链接处的几何尺寸影响较大,但是叶片的振动受连接方式相对较小。
计算结果中的第四阶频率是叶片的一阶频率。
220000rpm的四倍转频为14667Hz,小于叶片一阶频率16596Hz,满足设计要求。
图19叶轮应力分布图20叶轮模态分析结果
六、压气机性能预估
图21、22是CFD计算的压气机性能曲线。
机匣处理的目的是拓宽压气机等转速线的流量范围,所以带机匣处理的CFD分析,只计算了设计转速和不带机匣处理时喘振裕度较窄的转速。
带机匣处理后,压气机压比和效率都略有下降,喘振裕度有明显提升。
计算效率高于设计要求值约7%,并且在计算时已经考虑叶片和蜗壳流道表面粗糙度,所以该压气机效率满足设计要
求。
将带机匣处理和不到机匣处理的计算结果结合经验整理后,得到压气机性能曲线(图23)。
图中显示,设计要求的压气机运行工况在压气机高效区附近,近喘点工况喘振裕度在15%以上,能很好的满足使用要求。
;[Re4](#,##0.0)
压比
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
流量
#,##0.0;[Re31](#,##0.0...
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
#,##0.0;[Re31](#,##0.0...
#,##0.0;[Re1](#,##0.0)
#,##0.0;[Re1](#,##0.0)
#,##0.0;[Re2](#,##0.0)
#,##0.0;[Re2](#,##0.0)
#,##0.0;[Re3](#,##0.0)
#,##0.0;[Re3](#,##0.0)
#,##0.0;[Re4](#,##0.0)
设计要求
不带机匣处理
#,##0.0 带机匣处理
进口温度298K进口压
图21压气机流量与压比MAP图
效率
e30]-#,##0....
e30]-#,##0....
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
流量
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
#,##0.00;[R
设计要求
不带机匣处理
带机匣处理
#,##0.00;[R
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
#,##0.00;[Re30]-#,##0....
进口温度298K进口压
图22压气机流量与效率MAP图
图23根据CFD计算结果预估压气机性能曲线
七、结论
1.在考虑叶轮和蜗壳流道表面粗糙度的情况下,压气机要求的所有运行工况计算效率均高于要求值;
2.近喘点工况喘振裕度在15%以上,能很好的满足使用要求;
3.在极限转速下,叶片最大应力远低于材料屈服强度,具有较好的强度;
4.叶片一阶频率低于最高转速的4倍频,满足叶片振动要求。
八、附表
附表一叶轮子午面型线坐标
叶根
叶轮罩壳
叶尖
Z
R
Z
R
Z
R
-25.7391
2.56618
-24.9715
17.7829
-20.4367
16.5811
-25.4767
2.69583
-24.678
17.6972
-19.8356
16.5031
-25.2156
2.8226
-24.3956
17.6168
-19.2328
16.4399
-24.9538
2.94751
-24.1129
17.5384
-18.6282
16.3922
-24.6936
3.06939
-23.8403
17.465
-18.0227
16.3609
-24.4327
3.1894
-23.5672
17.3935
-17.4164
16.3467
-24.1738
3.30625
-23.3035
17.3266
-16.8096
16.3498
-23.9142
3.42123
-23.0393
17.2616
-16.4986
16.3555
-23.657
3.53293
-22.7836
17.2009
-16.1877
16.3611
-23.3991
3.64274
-22.5275
17.1421
-15.8767
16.367
-23.144
3.74919
-22.2791
17.0872
-15.5656
16.3733
-22.8882
3.85374
-22.0304
17.0343
-15.2546
16.3803
-22.6355
3.95484
-21.7886
16.9849
-14.9437
16.3883
-22.3821
4.05405
-21.5465
16.9375
-14.6328
16.3977
-22.1322
4.14974
-21.3108
16.8935
-14.3219
16.4084
-21.8816
4.24353
-21.0747
16.8515
-14.0111
16.4209
-21.6348
4.33377
-20.8445
16.8125
-13.7003
16.4354
-21.3872
4.42209
-20.6139
16.7756
-13.3897
16.4522
-21.1438
4.50684
-20.3886
16.7415
-13.0793
16.4719
-20.8996
4.58967
-20.1629
16.7095
-12.7691
16.4948
-20.6598
4.66891
-19.942
16.6802
-12.4591
16.5213
-20.4194
4.74624
-19.7208
16.6529
-12.1496
16.5518
-20.1835
4.81998
-19.5039
16.6281
-11.8405
16.5867
-19.9469
4.89179
-19.2867
16.6054
-11.5319
16.6263
-19.7151
4.96006
-19.0733
16.5851
-11.2241
16.671
-19.4827
5.02639
-18.8596
16.5668
-10.9171
16.7212
-19.2553
5.0892
-18.6493
16.5508
-10.6111
16.7772
-19.0272
5.15008
-18.4387
16.5368
-10.3064
16.8395
-18.8043
5.20749
-18.231
16.525
-10.003
16.9083
-18.5808
5.26296
-18.0231
16.5153
-9.70131
16.984
-18.3626
5.31504
-17.8178
16.5077
-9.40151
17.0669
-18.1438
5.36516
-17.6122
16.5021
-9.10391
17.1575
-17.9304
5.41197
-17.4087
16.4985
-8.80878
17.2558
-17.7164
5.45682
-17.205
16.497
-8.51644
17.3621
-17.5
5.5
-16.8
16.5
-8.22721
17.4766
-17.0278
5.59429
-16.4931
16.5061
-7.94146
17.5995
-16.5567
5.69428
-16.1862
16.5121
-7.65958
17.731
-16.0869
5.79997
-15.8793
16.5182
-7.38196
17.8714
-15.6184
5.91133
-15.5724
16.5243
-7.10898
18.0205
-15.1515
6.02884
-15.2655
16.5303
-6.84103
18.1785
-14.6863
6.15338
-14.9587
16.5407
-6.57849
18.3454
-14.2231
6.28494
-14.6519
16.5526
-6.32176
18.5211
-13.7619
6.42349
-14.3452
16.5644
-6.07125
18.7055
-13.3029
6.56906
-14.0385
16.5762
-5.82736
18.8986
-12.8465
6.72267
-13.7317
16.588
-5.5904
19.1001
-12.393
6.88462
-13.425
16.6002
-5.36071
19.3099
-11.9426
7.05487
-13.1186
16.619
-5.13857
19.5277
-11.4953
7.23336
-12.8125
16.6415
-4.92425
19.7531
-11.0515
7.42021
-12.5066
16.6678
-4.71796
19.986
-10.6118
7.61645
-12.2011
16.6979
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