離心式壓氣機的案例
CAESES離心壓氣機葉輪優化案例分享
案例——離心壓氣機
離心式壓氣機有體積小、單級增壓比高等特點，廣泛應用于航空、船舶等領域的動力系統。葉輪是離心壓氣機的核心部分，是主要做功部件，其模型的變化對壓氣機性能有著關鍵的影響。我們選擇了一款現有的離心壓氣機葉輪模型，采用CAESES軟件結合CFD仿真工具，對其氣動性能進行優化。該離心壓氣機主要性能參數及葉輪模型如下所示：
工作介質
空氣
流量
0.8kg/s
轉速
100000r/min
該優化案例的優化目標為在轉速和流量保持不變的情況下，盡可能地提高效率和壓比
優化流程
對離心壓氣機葉輪的性能進行優化，首先需要控制其模型進行變化。CAESES提供了一個CAD環境，能夠高效的創建參數化模型并進行變形控制，方便靈活的生成多個不同的幾何模型。基于CAESES輸出的模型，可以在CFD軟件中構建自動化網格劃分及仿真分析流程，并通過CAESES軟件進行調用，提取仿真分析得到的性能結果。最后，設置CAESES里的優化算法，根據仿真分析的結果調整葉輪模型參數，對葉輪性能進行自動優化。例如，CAESES結合CFX軟件進行優化的典型流程如下：
模型的創建及變形控制
首先在CAESES軟件中構建全參數化葉輪模型，關鍵步驟如下：
1. 首先定義葉輪子午流道型線及前尾緣位置；
2. 流道可采用樣條曲線，直線+圓弧等多種形式，可按照不同需求定義流道型線參數（此處采用直線+圓弧形式）；
3. 之后可按照θ（包角）或β（切向角）分布曲線來生成葉片中弧線；
4. 沿葉片高度方向生成多條中弧線，即可組合生成葉片中弧面；
5. 基于中弧面給定葉片厚度分布曲線，即可生成葉片表面；
6.
展開 小型高速離心壓氣機設計
小型高速離心壓氣機設計
通用機械行業仿真應用概述
旋轉機械相關應用
葉片快速設計
葉柵通道快速通流分析
汽輪機濕蒸汽兩相流非平衡態流動分析
濕蒸汽兩相流非平衡態流動分析
透平機械三維非定常流動數值模擬
透平瞬態問題
透平機械流固耦合穩態分析
透平機械顫振氣動阻尼計算
旋轉機械結構強度、振動和疲勞分析
旋轉機械工藝成形仿真
在Ansys BladeModeler中設計葉輪
葉片流場分析
增壓器離心式壓氣機的結構靜、動力學分析
旋轉機械相關仿真軟件模塊
一維設計工具：Vista CCD，CPD等系列
葉片設計工具：BladeGen，BladeModeler
葉柵網格生成工具：TurboGrid
高級網格生成工具：IcemCFD
結構仿真分析：ANSYS Mechanical，nCode Designlife
流體仿真分析：ANSYS CFX，Fluent
流固耦合分析：ANSYS FSI
優化設計分析：Ansys DesignXplorer，optiSLang
多學科優化和拓撲優化：VR&D Gensis
鍛造成形仿真：Deform
鑄造成形仿真：NovaCast
作業調度與高性能計算：PERA.Grid、ANSYS HPC
協同仿真環境及仿真流程與數據管理：ANSYS Workbench、EKM
電機領域
電機是一種應用最為廣泛的能量轉換裝置，按照能量轉換方式分為發電機和電動機兩個大類。電機系統是一個集電氣、機械、動力學、散熱、電子電路、控制系統等眾多學科專業于一體的復雜系統。
展開 CFD專欄丨Flow Simulator案例：航空發動機燃燒室一維仿真
常用于裝有離心式壓氣機的小型渦輪軸發動機上，例如直升機動力。</p><p><br></p><p>回流燃燒一維模型的搭建和常規燃燒是類似的，需要注意的是調整流動的上下游位置。</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/x0yLiaf5fF6wQtXyAnpibxiahtIVvyfWhgGNrCfE2RZDLgXMAAGUEKhic2iahPRq92Aw6GXBwTJN7ia3jO8tZ792kEOw/640?wx_fmt=jpeg&from=appmsg"></p><p><strong>回流燃燒室一維模型</strong></p><p><br></p><p><strong>總結</strong></p><p><br></p><p>Flow Simulator 集成了 NASA CEA 化學反應庫，通過求解質量、動量、能量和化學組分的守恒方程，預測燃燒室內的壓力、溫度、流速和燃燒效率等關鍵參數。</p><p><br></p><p><strong>? 適用場景</strong></p><p><br></p><ol><li>快速評估燃燒室整體性能（如壓降、燃燒效率），優化燃料噴射策略或初步設計驗證。</li><li>燃燒室長度優化。通過一維仿真快速評估不同燃燒室長度對燃燒效率的影響，避免“過長導致壓損過大，過短導致燃燒不充分”的困境。</li><li>燃料分級設計。模擬主燃區與補燃區的燃料分配，平衡高功率工況的穩定性和低污染排放需求。</li><li>極端條件預測。在高空低氧條件下，預判燃燒室熄火風險并優化點火策略。
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國產渦槳發動機的發展方向剖析
單轉子帶來的固有缺陷主要有：(1)起動負荷大，啟動困難；(2)必須設置壓氣機放氣調整裝置，在大氣環境變化較大和起動過程中容易造成喘振；(3)發動機尺寸大，推重比小等。
多轉子發動機啟動時啟動機只帶動高壓渦輪，載荷低，易于啟動。典型的代表為加普惠的發動機PW150B型發動機。多轉子發動機轉速可調，發動機地面小油門狀態時，螺旋槳轉速低，噪音也就比單軸的低，低轉速的低壓壓氣機軸前端與減速器相連，可以使減速器的傳動比較單軸的降低。
國外先進渦槳發動機核心機普偏采用多轉子，壓氣機靜子葉片可調的設計。而雙轉子和三轉子的多轉子設計是通過改變轉子轉速，改變壓氣機動片的切線速度來改變工作葉輪進口處氣流相對速度的方向而達到防喘目的。這樣它就不需要放氣氣活門。
國內發動機要向前進一步，必須向多轉子方向發展。
3.2壓氣機向軸流式與離心式組合發展
渦槳發動機要求壓氣機具有高的總增壓比，以獲得高的熱效率和單位功率。隨著增壓比的不斷提高，壓氣機的結構形式也由最初的純軸流式轉變成目前大量采用的若干級軸流加一級離心的組合式壓氣機。軸流壓氣機級數的增加使得壓氣機后幾級的"尺寸效應"愈加明顯，氣流損失增大，氣動性能顯著下降。由于離心壓氣機的轉子結構剛性更好、抗外物能力更強，尺寸效應對離心壓氣機的影響小，因此用它來取代后面的軸流壓氣機是有利的，在極小尺寸情況下，有必要采用離心壓氣機系統。加普惠PW150A就采用的這種設計，如圖1所示。
圖1PW150A壓氣機簡圖
PW150型發動機采用軸流式和離心式的組合壓氣機，結構緊湊，壓氣效率高，是航空發動機設計的典型成功之作。
國產發動機可以從中獲取更多設計靈感，在尺寸有限的條件下提高推重比，提高壓氣效率。
展開 干貨丨圖文動畫解析航空發動機的類型及原理
目前渦輪軸發動機一般采用若干級軸流加一級離心構成組合壓氣機，兼有兩者的優點。國產渦軸-6、渦軸-8發動機為1級軸流加1級離心構成的組合壓氣機；“黑鷹”直升機上的T700發動機采用5級軸流加1級離心壓氣機。壓氣機部件主要包括進氣導流器、壓氣機轉子、壓氣機靜子及防喘裝置等。壓氣機轉子是一個高速旋轉的組合件，軸流式轉子葉片呈葉柵排列安裝在工作葉輪周圍，離心式轉子 葉片則呈輻射形狀鑄在葉輪外部。壓氣機靜子由壓氣機殼體和靜止葉片組成。轉子旋轉時，通過轉子葉片迫使空氣向后流動，不僅加速了空氣，而且使空氣受到壓縮，轉子葉片后面的空氣壓強大于前面的壓強。氣流離開轉子葉片后，進入起擴壓作用的靜子葉片。在靜子葉片的通道，空氣流速降低、壓強升高，得到進一步壓縮。一個轉子加一個靜子稱為一級。衡量空氣經過壓氣機被壓縮的程度，常用壓縮后與壓縮前的壓強之比，即增壓比來表示。
文章來源：航空發動機人
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