● 摘要
微型燃气轮机通常是指推力在100KG以下的燃气轮机。微型燃气轮机以其体积小，重量轻，成本低等特点被广泛应用于工业和军事等领域。微型燃气轮机不仅是无人机、巡航导弹等小型飞行器的核心部件，也是某些特殊供电系统的动力源泉，因此对于微型燃气轮机的研究具有重大的实际意义。作为微型燃气轮机的主要部件，小型高速离心压气机叶轮具有激波损失，二次流损失等难点，本文将工作的重点集中于基于叶形调整为基础的气动优化上，通过改形手段来缓解叶轮内部的激波和二次效应来提高叶轮性能，由此所带来结构强度等问题只作定性的分析。本文首先对原始叶轮进行了数值计算并详细地分析了流场的各个截面，着重分析了激波对边界层的影响以及损失的成因。经分析可知，离心压气机叶轮的性能符合设计要求，但是各指标均有待提高。激波对边界层分离的加剧以及二次流对低能流体的输运是导致内流损失的重要原因。针对该叶轮存在的问题，本文采用了优化子午流道和叶片厚度的手段对原始叶轮进行优化，优化后的叶轮在性能上都明显优于原始叶轮，但是改变叶片后弯角的结果并不乐观，经分析可知增大叶片后弯角虽然会稳定主流流动，但由此引发的额外损失也占有很大比例甚至淹没了积极因素。综合来看，整个优化工作是成功的。除此以外，本文还针对计算的数值条件以及网格的可用性方面做了一些研究工作，目的是证明本文的计算结果具有可信性。通过研究表明，本文的计算网格和计算条件的选择是合理的，所得到的计算结果是可信的。网格数本身对计算结果影响不大。壁面第一层网格尺度会严重影响网格质量，但是在不影响计算的前提下，可以选用了尽量小的壁面第一层网格尺。最后，本文对原始叶轮内部的二次流结构进行了总结，从而便于把握整个流道内部的气流流动。