微型燃气轮机具有高效、可靠、结构紧凑、低排放及运行成本低等优点,在能源动力和军事工业中占据十分重要的地位;作为微型燃机的关键部件,离心压缩机的研发和应用正在成为国内、外重点研究的方向之一。离心压缩机中的静止元件如扩压器、蜗壳等,对提高压缩机整机性能、拓宽有效运行范围发挥着举足轻重的作用。静止元件由于受上游旋转叶轮对流动带来的影响,以及本身结构对流动的约束,其内部的流动情况非常复杂,因此探索流体在静止元件内部的流动机理,对合理设计和优化结构有着重要的指导意义,而目前对离心压缩机静止元件的流动情况作透彻分析的工作开展得还很少,本文正是就这一方面做更深入地研究。 本文针对某微型燃机关键部件离心压缩机的静止元件展开了内部流动分析和结构优化工作。借助AUTOCAD、CAXA、PRO/Engineering等工程制图软件以及旋转机械内部流动数值分析的专用软件NUMECA,对离心压缩机的静止元件如扩压器和蜗壳,进行了设计—建模—数值计算—流场分析—结构再设计(优化)的全过程工作。 本文在离心压缩机扩压器性能改进的研究工作中得到了很有价值的结论。在离心压缩机无叶扩压器结构设计和流场性能计算的基础上,利用一种新兴的无叶扩压器结构优化方法—轮盖侧加装半高导叶的方法,对无叶扩压器的结构进行了优化设计;同时提出了“轮盘侧装有一定高度导叶的扩压器”的构想和方法。论文中深入探讨并总结了轮盖侧或轮盘侧上加装不同高度的导叶对扩压器性能的影响规律,寻求性能较好的导叶扩压器结构;另外还对原设计微型燃机离心压缩机的有叶扩压器进行了取消叶片,并在其轮盘或轮盖侧加装不同高度导叶的尝试,得出了指导性的推论。最终计算结果表明轮盖侧加装0.4倍叶片高度的导叶扩压器或轮盘侧加装0.2倍叶片高度的导叶扩压器的性能明显优于无叶扩压器,而且轮盖侧加装0.4倍叶片高度的导叶扩压器效率比原设计方案的扩压器效率提高了三个多百分点。 在离心压缩机蜗壳结构优化的研究中,基于蜗壳一维气动设计的理论和蜗壳截面面积的修正,获得了等内径的不对称圆型蜗壳结构,并对流动十分复杂的蜗壳内部流场进行了数值计算分析,在分析计算结果的基础上,将原蜗壳截面结构合理地改成不对称梨型结构,并进行了对比分析。结果表明通过对蜗壳截面结构的改进,明显提高了单级离心压缩机的整级性能,改进蜗壳截面后的整级效率比改进前的整级效率提高了将近两个百分点,为离心压缩机蜗壳的设计研究提供了经验和参考。