● 摘要
与多级轴流与离心组成的组合压气机相比，双级斜流/离心压气机具有结构简单、制造成本更低及工作范围宽等优点，因此在功率范围1000～2000kw 的第四代航空涡轴发动机以及先进地面燃气轮机中得到了广泛采用。双级斜流/离心压气机在气动设计上主要存在以下难点：第一，第一级压气机比转速较高，难以获得高效率和大裕度；第二，两级压气机的匹配问题，特别是如何保证压气机的中低转速裕度。本文以设计一台高性能双级斜流/离心压气机为目标，对双级斜流/离心压气机的气动设计方法和内部复杂流动进行了研究，本文的主要工作包括以下几个方面。1．发展了一套适用于斜流/离心压气机的气动设计程序和三维造型程序，能够适应各种复杂叶片形式的设计与造型。采用指定叶片负荷分布规律的设计方法，通过控制叶片负荷分布来控制叶片表面速度分布。数值模拟的结果证明，该气动设计程序和设计方法能够满足高性能双级斜流/离心压气机的气动设计要求。2．在细致地分析了斜流/离心压气机的内部流动结构和流动机理的基础上，对斜流/离心压气机叶片负荷分布的设计规律进行了较为深入的研究，特别是对第一级高比转速叶轮以及回流器的负荷分布规律做了详细的研究。研究结果表明，负荷分布的设计规律对于叶片内部流动具有非常重要的影响，合理的负荷分布对于提高效率，抑制二次流发展以及提高出口流场均匀性都有非常显著的作用。同时，叶轮加功量在根尖的分配对叶轮设计同样具有重要影响。3．对比分析了高比转速条件下斜流叶轮与离心叶轮的性能及其内部流动特点。分析结果表明，在高比转速情况下斜流叶轮具有比离心叶轮更加优异的性能，因此，本文确定的双级压气机的设计方案采用了斜流+离心的组合形式。4．对斜流/离心压气机的流道设计进行了较为深入的分析，特别是对回流器后弯道以及径向扩压器的流道设计进行了细致研究，得到了具有较好性能的斜流/离心压气机设计流道。5．完成了高性能斜流-离心双级压气机的气动方案设计。数值验算结果表明，该压气机性能完全达到了设计要求，两级压气机匹配合理，在各个工作状态下都具有良好的性能和裕度，在常用工作范围内不需要采用中间级放气等扩稳手段。
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