微小型压缩空气储能系统用涡旋压缩机流动特性研究

以空气为工质,基于计算流体动力学方法,对无油空气涡旋压缩机在变工况运行条件下进行了三维非稳态数值模拟。研究发现:动静涡旋齿之间存在的径向间隙,会使得压缩机工作腔内温度、流速和压力的分布不规律;增大转速,不但可以增加涡旋压缩机的质量流量,而且还可以减小切向泄漏量,进而提高压缩机的工作效率;排气压力过大,会降低涡旋压缩机的基本输出性能;在低转速下,过高的排气压力会使得压缩机排气口出现“净回流”现象。

高流量裕度离心压气机叶片表面微坑结构研究

压气机工作稳定性对发动机整机的工作稳定性及性能影响有诱导及放大作用,因此要求压气机的流量裕度越宽越好,以适应发动机变工况下的工作稳定性。基于“高尔夫球效应”提出一种在主流叶片吸力面部位分布微坑的新型叶片结构,采用CFX流体动力学软件对某型离心式压气机叶轮流动进行数值模拟,研究在主流叶片吸力面不同部位添加半径为0.25~0.30 mm的微坑结构对结构性能及流量裕度的影响。结果表明:在主流叶片吸力面前缘和尾缘添加微坑可提升流量裕度,当微坑半径为0.30 mm时流量裕度效果最好,分别提升3.01%和3.15%;新结构叶片结构的使用增加了压气机流量裕度,为离心压气机叶轮的设计提供参考依据。

Testing of the Ultra-Micro Gas Turbine Devices (1 - 10 kW) for Portable Power Generation at University of Roma 1: First Tests Results

The ever increasing development of portable electronics has led to a higher demand for compact and reliable power sources. Significant resources are being presently dedicated to the study of micro machined gas turbines, because of their remarkable power density. The paper reports the procedures and the results of a series of tests conducted at the Department of Mechanical & Aerospace Engineering of University of Roma 1, to obtain the map of an ultra-micro gas turbine device, and the head losses and the combustion efficiency of the corresponding ultra-micro combustion chamber, fed by a mixture of butane and propane. This work is a part of a research aimed at the conception, design and prototyping of an ultra-micro thermo-electrical device for portable power generation. The novelty of the research consists in the fact that the thermal engine is a (ultra-micro) gas turbine set. In a subsequent stage, several different configurations have been assessed to select the most proper geometry and structural characteristics of the most relevant components (radial compressor, radial turbine, combustion chamber, electric motor and generator, bearings, regenerative heat exchanger).

微型涡喷发动机喘振故障的预警技术研究

为有效预警微型涡喷发动机(MTE)的压气机喘振故障,首先,通过在发动机仿真模型中进行故障注入来确定喘振故障对应的发动机相关参数;其次,在微型涡喷发动机试验台上加装对应监测参数的传感器,采集卡采集并传输数据,并进行多次试车试验;然后,在0~140000 r/min转速区间内选取6个特征转速点,结合仿真模型与MTE试车数据,计算特征转速点下参数的故障阈值;最后,基于LabVIEW设计1个喘振故障预警程序,并在MTE试验台上设计喘振故障试验以验证预警程序的可行性。结果表明:压气机喘振故障影响最大的2个参数为压气机出口压力与燃烧室出口温度;当MTE出现喘振现象时,压气机出口压力骤降且燃烧室出口温度大幅升高;故障预警程序不仅能够实时监测参数变化并发出告警,还能及时停止发动机工作,保障试验人员安全。

微型涡旋压缩机切向泄漏流动特性与数值分析

针对微型涡旋压缩机工作腔内流场运动状态和切向泄漏特性难以通过实验测试获取的问题,以带有径向间隙的动、静涡旋盘啮合形成的三维流体模型为研究对象,采用CFD动网格技术,建立结构化网格和定义边界运动,探索月牙形压缩腔在工作过程中腔内流体的瞬态分布情况,研究径向间隙导致切向泄漏的工作腔内温度场、速度场和压力场瞬态分布规律。结果表明:切向泄漏对温度场和速度场不均匀分布情况影响较大,对压力场影响较小,在啮合间隙处压力和温度呈梯度变化,速度出现极值;平均进、出口质量流量和泄漏量与转速成正比。

间隙泄漏对微型涡旋制冷压缩机流动及性能的影响

针对微型无油涡旋制冷压缩机的工作过程,建立了包含径向和轴向间隙的三维流动模型,通过CFD方法进行了数值模拟,分析了压缩机工作腔内部温度、压力的分布情况及流动特性,得到了冷凝温度、泄漏间隙对压缩机容积效率和等熵效率的影响规律。研究结果表明:固定轴向间隙为5μm,径向间隙从5μm变化到11μm时,容积效率从86.38%下降到75.11%,等熵效率从67.78%下降到56.18%。固定间隙均为7μm,冷凝温度由50℃变化到55℃的过程中,压缩机的容积效率从75.35%下降到73.49%,等熵效率由59.03%下降到56.79%。要使压缩机容积效率达到80%以上,应保证轴向间隙小于6μm,径向间隙小于9μm,为微型涡旋压缩机的设计提供参考。

微型涡轮发动机传热效应的建模分析与实验研究

微型涡轮发动机(MTE)可作为各种新型无人机、微小型导弹的高速推进动力装置,但微型化可能给发动机各部件匹配工作带来包括传热效应在内的特殊影响。针对微型涡轮发动机MTE-110,建立了基于发动机部件特性的总体性能模型,并在此基础上分析了可能的传热效应对压气机特性及整机性能的影响。在MTE-110的地面台架运转试验中,测量数据显示传热效应使压气机的实际温升比绝热温升增加了30%,对压比影响不大,因此显著降低了压气机效率。通过在压气机静子上采用隔热技术后,MTE性能得到显著改善,设计转速下的实测推力提高了23%,达到了96 N。

微小流量离心压缩机叶轮流场性能模拟计算

设计了一种空气工质低压比的微小流量、高转速离心压缩机三元叶轮,并对其流场特性进行数值模拟.研究表明:该类叶轮出口与进口区域面积比小于1;采用高转速可以改善该类叶轮的效率;叶轮的最佳叶片数较源于大流量低转速离心压缩机理论的叶片数经验公式计算值要小;叶轮出口角一般在60°以上;叶尖顶部间隙增大时,叶轮总压比及效率显著下降.研究方法和结果为飞机高性能空气循环制冷系统和蒸汽压缩制冷系统中微小流量高转速离心压缩机的工程化设计提供了有益的参考.

基于流固热耦合仿真的微型空压机风冷系统

为解决微型空压机缸盖处过热问题,基于流固耦合传热理论,建立了微型空压机内部流场和温度场以及轴流式风扇的数值计算模型.数值仿真结果表明,原空压机流道设计不合理,冷却空气在机架处回流严重,影响缸盖散热.通过改变轴流式风扇的吹风方向解决了冷却空气在机架处回流的问题,通过优化出风口尺寸以及风扇参数,提高了冷却空气的流量,从而使微型空压机冷却空气流量由13.55 g/s增加至23.51 g/s,缸盖处温度由388.9 K降低至362.9 K,解决了缸盖处过热的问题.

微型涡旋压缩机泄漏的理论计算

简要回顾了近年来在涡旋压缩机泄漏方面的研究进展,提出了微型涡旋压缩机的概念,并对微型涡旋压缩机的泄漏问题进行了理论计算。通过对泄漏通道和流动特性的分析,建立了泄漏计算模型,讨论了泄漏间隙等参数对泄漏的影响。计算模型和计算结果可为微型涡旋压缩机的设计和制造提供依据。

微小间隙内油气两相泄漏的试验研究

对微小间隙内油气两相泄漏特性的研究是计算喷油压缩机压缩腔内气体泄漏量的基础。搭建了微小间隙内油气两相流动特性试验研究装置，通过改变泄漏间隙和泄漏压力差／压力比及油气体积比，借助高速摄影获得了微小间隙内油气两相流动的流型，并与眈数预测的流型进行了比较；对不同工况下的泄漏量进行了测量，并拟合了关联式。研究结果表明：应用耽数预测的流型与高速摄影观察到的流型是一致的；试验获得的临界压力比范围在1．8～2．3，临界压力比之前，两相流的流型为块状流，气体泄漏量随压力比增大迅速增大，临界压力比之后，流型主要为环状流，气体泄漏量随压力比变化缓慢；油气体积比对气体泄漏量影响很大，油气体积比增加0．5％，气体泄漏量可以减少77％；用多项式拟合的油气两相泄漏量与压力差、间隙值之间的关联式，在试验工况范围内，相对误差在2．1％以内，可用于喷油压缩机泄漏量计算模型。

微喷气提高轴流压气机稳定性的研究

在动叶顶部采用稳态微量喷气可以在不影响低速轴流压气机的稳态工作特性下,拓宽其工作范围。为了分析微喷气作用机理,进行了一系列不同喷气结构的实验研究,包括不同喷气角,不同喷嘴安装位置以及不同喷气量.利用高频响动态传感器测量叶尖间隙动态压力谱,分析表明微量喷气可以改变叶尖顶部泄漏涡的轨迹.

微量叶尖喷气对压气机稳定性的影响

为了研究微量喷气对压气机稳定性的影响及其机理,在双级低速轴流压气机试验器上开展了微量叶尖喷气对压气机稳定裕度影响的参数化研究,并将其结果与无喷射时的基准值进行比较。结果表明,微量喷气能够提高压气机的稳定裕度,扩宽压气机的稳定工作范围,扩稳机制是抑制了模态波向旋转失速团的发展并同时改善了转子叶尖的流场;喷气量越大,微量喷气扩稳效果越明显;在相同喷气量的情况下,沿逆压气机旋转方向偏转一定的角度喷气时叶尖微量喷气具有较好的扩稳效果。

轴流压气机转子叶顶流场对微喷气的响应机制研究

为了揭示叶顶流场对微喷气的响应机制,深入探究微喷气扩稳机理,以高负荷轴流压气机转子为研究对象,通过求解三维雷诺时均N-S方程对其进行了5通道高精度非定常数值研究。借助时间精确的数值模拟,获得了实壁和喷气工况下压气机转子的基元级性能、总性能和叶顶流场非定常特征。研究发现,在相同流量水平下,较之实壁工况,微喷气可以显著改变叶顶流场非定常特征的时空分布,削弱叶顶流场的自激振荡幅值。微喷气通过改变叶顶瞬态攻角对流场施加影响,叶栅掠过喷嘴过程中,正对喷嘴部位的攻角会发生突降,流场扩压程度和阻塞水平关于攻角突变的响应呈现出强烈的时滞性和非线性,攻角突降所诱导出的低阻塞水平在时域内持续时间约为低攻角水平持续时间的3倍。微喷气能够提高叶栅的承载能力,增强其对时均攻角的耐受力,拓宽流量裕度,增大吸力面分离在诱发流动失稳过程中的贡献比例。

微型三角转子压缩机的优化设计

从微型压缩机的特点出发,利用MATLAB强大的计算和绘图能力进行了微型三角转子压缩机的优化设计,确定的微型三角转子压缩机的设计方法和结构参数可以为其他研究者和生产厂家提供参考。

单级轴流压缩机消声器设计与试验研究

采用微穿孔板吸声结构 ,对某型单级轴流压缩机排气噪声进行了降噪研究。详细计算了消声器的参数并进行了测量比较。试验表明 ,微穿孔板吸声结构可有效地降低排气噪声。

微型二氧化碳压缩机的开发

介绍了微型二氧化碳压缩机的基本参数、结构特点。对微型二氧化碳压缩机开发关键技术进行了研究,提出合理选取结构参数、采取有效减振降噪措施的方案,解决了二氧化碳压缩机冷却、润滑、变工况运行等问题。经测试表明,样机运转平稳、工作正常,各项指标达到设计要求。

低速轴流压气机顶部微量喷气控制失速机理的数值模拟

对低速轴流压气机的转子顶部进行微量喷气已经证明可以有效的抑制旋转失速,但通过实验研究其机理比较困难。本文对该低速轴流压气机的转子顶部进行微量喷气的失速起始过程进行了数值模拟,通过非定常流场和失速起始过程同未加喷气的情况进行比较,分析了微量喷气控制失速起始的机理。计算得到的特性线和失速点流量同实验较好吻合。

高速微型离心压气机的改型设计

近年来微型涡喷发动机的研究受到国内外的高度重视。微型叶轮机作为微型涡喷发动机的核心,其内部流动状况及特性是研究的重点。本文首先采用S-A湍流模型,对某微型涡喷发动机的离心压气机(转速118 000 r/min)的地面状态和设计转速下的粘性流场进行了三维数值模拟计算,得到了压气机特性曲线。接着对该离心压气机进行了改型。通过与原型三维流场的对比分析,实施了改型流道设计,重点在于调整转子流道的形状以及转子出口与径向扩压器之间的流道匹配。改型离心压气机的三维流场计算结果表明,基本达到改型设计要求。

微型压缩机系列优化设计

鉴于一种型号的压缩机可以有多种结构满足 ,对标准JB140 7- 85所规定的微型空压机系列进行了热力学计算 ,找出了满足每一种型式压缩机的各种结构。通过对计算结果遴选 ,确定了满足JB140 7- 85标准的压缩机最优结构参数。本文确定的JB140 7- 85标准压缩机系列最优结构参数及系列化设计方法可作为生产厂家参考。