軸流壓氣機的案例
三維單級軸流壓氣機
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例模擬了單級軸流壓氣機。轉子葉片的流動是在旋轉參考框架中計算的，而定子葉片的流動在靜止框架中計算。這種情況的目的是驗證基于壓力的耦合求解器的可壓縮渦輪機械問題與混合平面的性能。流動是可壓縮的、湍流的和穩定的。
計算域：轉子葉片數量為16，定子葉片數量為40
物質屬性：物質密度為理想氣體，摩爾數為28.966，粘度為Sutherland’s law，比熱為1006.43J/kg-K
邊界條件：轉子轉速37,500rpm，入口壓力為 1 atm，溫度為288 K
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為76800
計算設置
本次計算為穩定的、湍流的、可壓縮的，基于壓力的耦合解算器流動。
展開 [案例分析]STARCCM+入門系列之——單周期軸流壓氣機
1、問題描述
本教程介紹如何在STAR-CCM+ 中對軸流壓氣機葉片進行模擬，并說明為單葉片排生成網格的過程。
2、STAR-CCM+設置
（1）
菜單欄選擇Mesh > Import Turbo Blades，生成如下的界面：
（2）將葉片排數葉片排數設置為1，將選擇當前葉片排選擇當前葉片排設置為 1。激活當前葉片排正在旋轉當前葉片排正在旋轉，將旋轉速度更改為17,200 rpm。激活輪轂表面正在旋轉輪轂表面正在旋轉，將選擇流軸設置為+Z。
（3）導入渦輪向導幾何文件選項對話框中有六個選項卡。幾何、網格化、流道、方格設置、邊界條件/湍流和初始條件選項卡用于為導入的葉片幾何指定所需的文件和參數。幾何界面的設置如下：
（4）將網格生成方法網格生成方法設置為使用橢圓網格生成器構建使用橢圓網格生成器構建3D 體網格體網格。
（5）流道設置方法如下：
（6）網格設置方法如下圖：
（7）采用默認湍流模型，保留滯止進口子選項卡中的默認設置。在壓力出口子選項卡中，將恒定靜態壓力恒定靜態壓力值更改為5000 Pa，保留其他參數的默認值。在初始條件選項卡，將初始速度初始速度Z 值更改為 150 m/s，保留其他參數的默認值。
展開 某型單級軸流壓氣機性能仿真與試驗案例
針對某型單級軸流壓氣機進行CFD仿真計算和多次試驗測量，得到仿真結果和一系列上下波動的試驗數據，用戶面臨如下問題：
仿真模型求解精度驗證（Verification）
采用Star ccm+軟件對壓氣機性能進行初始仿真計算：
調用物理模型精度分析模塊對K-Omega、K-Epsilon、S-A三種湍流模型精度進行評估（以增壓比π為例），發現K-Omega模型精度最高，選擇該模型：
調用離散誤差精度評估模塊對三套葉片網格1、2、3（特征尺寸比為1：1.5：2.25），計算得Mesh2網格離散誤差精度為±0.026，符合要求選取Mesh2：
調用計算收斂誤差精度分析模塊對上述仿真結果殘差曲線進行評估，得到其精度為±0.00007，符合要求：
綜合上述結果可得合成后的仿真模型求解精度為±0.0266
UQ不確定性量化分析
調用SimV&Ver的UQ不確定性量化分析模塊，對4個輸入參數（轉速、級進口總壓、進出口背壓、進口氣流角）不確定性導致的響應量（增壓比π）變化結果進行分析，得其上下限為±0.08：
根據計算結果可對各輸入參數對響應量的敏感度系數進行分析：
仿真與試驗結果對比與誤差分析（Validation）
調用仿真與試驗結果對比與誤差分析模塊，對CFD仿真與試驗結果誤差進行對比分析；
根據試驗測得增壓比累積分布曲線，可得該級壓氣機壓比不低于1.57的概率為95%，符合設計要求；
試驗與仿真結果的葉片表面靜壓分布（15個測點）曲線的確認指標（Validation Metrics）
展開 美國SoftInWay公司的AxSTREAM軟件
AxSTREAM是一款多學科葉輪機綜合設計、分析和優化多功能商業專業軟件，能夠設計和分析以及優化包括軸流壓氣機、離心壓氣機、軸流渦輪和向心渦輪
及風機、風扇等多種葉輪機械。AxSTREAM是目前世界上唯一集葉輪設計、分析和優化于一體的綜合設計工具包。AxSTREAM亦是集成度最高、功能最
全、速度最快的商業葉輪設計軟件
AxSTREAM是由葉輪機行業享有勝譽的美國SoftInWay公司研發的旗艦產品，是一款特別針對旋轉葉輪機械的快速優化設計與氣動分析軟件。 AxSTREAM主要著眼于工程實際應用。它嵌入了豐富的葉輪經驗數據，具有優異的工程應用界面，特有的快速設計和分析方法，獨有的DOE優化方法，良好
的設計精度，完善的輸入輸出接口等，以及多目標多參數多學科多因素綜合設計策略與方法等，在葉輪機械設計、性能分析和優化等方面，獨樹一幟，成為業內翹
楚，具有極高的工程應用價值。
AxSTREAM主要進行葉輪機械的一和二維的初始設計與氣動分析、優化，全三維葉片造型與三維CFD數值驗算、全三維FEA強度、振動校核等。它采
用了先進的項目數據庫管理模式，基于優秀的工程經驗損失模型，通過自動尋優算法進行優化設計與分析。AxSTREAM是一個不斷發展中的程序，從初始專注
于軸流旋轉機械的設計，發展到軸流/徑流/混流式設計，并加入三維有限元的強度分析和流動分析功能，并且綜合考慮冷卻、傳熱等多學科問題。目
前，AxSTREAM可以進行軸流渦輪、軸流壓氣機、向心渦輪、離心壓氣機、混流式渦輪和壓氣機的設計與氣動分析。應用范圍涵蓋汽輪機、燃氣輪機、航空發
動機、風機、渦輪增壓器和渦輪泵等多種葉輪機械。
SoftInWay 公司是一家美國公司，總部位于馬薩諸塞州的Burlington，是一家為全球國際用戶在能源動力設備研究、設計和數字建模等領域提供軟件產品和工程咨詢服務的高科技公司。
展開 
軸流壓氣機葉頂噴氣穩定性控制研究 中國科學院工程熱物理研究所李繼超
軸流壓氣機葉頂噴氣穩定性控制研究 中國科學院工程熱物理研究所李繼超
SoftInWay公布2010下半年透平機械培訓時間表
2010年度第二部分教室培訓課程安排如下：
內容：軸流渦輪基礎理論+ AxSTREAM葉輪機械設計及優化；時間：2010年09月20日-2010年09月24日；地點：德國杜塞爾多夫
內容：軸流壓氣機基礎理論+ AxSTREAM葉輪機械設計及優化；時間：2010年10月18日-2010年10月22日；地點：美國馬塞諸塞州波士頓
內容：蒸汽輪機及燃氣輪機設計；時間：2010年11月15日-2010年11月19日；地點：美國馬塞諸塞州波士頓
歡迎那些渴望發展葉輪機械設計技能卻無法參與教室培訓的機械工程師及航天工程師們參加在線培訓課程：
軸流渦輪：2010年09月06日-16日、10月25日-11月04日、12月07日-16日
離心渦輪：2010年09月07日-15日、10月26日-11月03日
軸流壓縮機：2010年09月27日-10月07日、11月29日-12月09日
離心壓縮機：2010年09月28日-10月06日、11月23日-12月02日
展開 國產渦槳發動機的發展方向剖析
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。
3.3高溫材料的應用及回流環形燃燒室的設計
隨著發動機性能的不斷提高，要求燃燒室的進口溫度和通過燃燒室的溫升相應提高。由于熱燃氣溫度正在接近渦輪材料的溫度極限點，保持均勻燃燒顯得尤為重要。這就需要采用具有大調節比系數的新型燃油噴嘴，以得到均勻的周向和徑向溫度分布系數。
展開 燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子動力學分析
本文研究的對象是該型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子, 通過對轉子-支承建模, 使用SAMCEF專業轉子動力學分析軟件, 采用有限元素法分析了其轉子動力學特性, 包括轉子的臨界轉速計算、穩態不平衡響應分析、轉子穩定性分析等。驗證了其在工程應用方面的可用性及可靠性, 同時得出了分析其動力學特性的基本方法及結論。
1 結構簡介
該型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子呈軸流輪轂式整體結構, 它由9級低壓壓氣機和1級低壓渦輪組成, 低壓壓氣機與低壓渦輪之間通過低壓渦輪軸連接并以花鍵傳遞扭矩(見圖1)。0 ～ 8級低壓壓氣機輪盤、葉片材料為鈦合金;低壓渦輪盤、葉片材料為高溫合金;低壓渦輪軸材料為馬氏體不銹鋼。低壓渦輪壓氣機轉子呈3點支承結構, 前支承采用徑向止推滾珠軸承, 支承點位于壓氣機0級輪盤前段, 由彈性支承、擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成;中間支承采用滾柱軸承, 由擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成, 支承點位于低壓壓氣機后軸徑后段;后支承采用滾柱軸承, 由彈性支承、擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成, 支承點位于低壓渦輪軸后段。
2 計算模型
該型燃機低壓渦輪壓氣機轉子的3D模型較大,這將導致在網格劃分以及計算過程中花費大量時間,因此我們對本機組的計算采用2D軸對稱模型。在總體直角坐標系下建立二維軸對稱單元, 其種類有3節點或高階6 節點的三角形單元、4 節點或高階8 節點的四邊形單元。每個節點有9個自由度, 前6個自由度與梁單元一樣, 分別為沿旋轉軸線方向的拉伸和扭轉, 以及由彎曲而引起的其他2個方向的線位移和角位移。另外, 3個自由度與旋轉軸的橫截面變形有關, 分別為拉伸引起的徑向位移和彎曲引起的2個切向位移。同時, 使用這類單元可以很好地模擬轉子的“渦動效應” 。
建立總體直角坐標系(X , Y , Z )和局部圓柱坐標系(er, z , eθ)。
展開 某型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子動力學分析
為了獲得某型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子的動力學特性，并驗證其穩定性及可靠性，本文使用ＳＡＭｃＥＦ／Ｆｉｅｌｄ軟件的轉子動力學分析模塊對該轉子進行了分析計算。根據機組實際運行的條件，計算了該機組轉子的臨界轉速、穩態不平衡響應、葉片丟失瞬態響應等。計算結果表明，臨界轉速安全系數合理；轉子系統選取的平衡量具有較小的振動幅值；轉子的瞬態響應結果驗證了結構方案的合理性，轉子系統具有較好的穩定性。得出了此轉子結構方案能保證低壓渦輪壓氣機穩定運行的結論
某型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子動力學分析.pdf
氦氣透平壓氣機轉子動力學分析
作者：王旭 周傳月 關鍵字：氦氣透平壓氣機 轉子動力學 電磁軸承
本文用Samcef Rotor軟件對氦氣透平壓氣機轉子支承系統進行轉子動力學計算與分析，通過大量分析計算，為氦氣透平壓氣機總體結構設計提供設計依據。
1.引言
清華大學IOMW高溫氣冷實驗堆HTR-IOGT項目是國家863重點攻關項目，氦氣透平壓氣機組（以下簡稱氦氣輪機）是該項目能量轉換的核心設備。氦氣輪機主要由低壓壓氣機、高壓壓氣機、氦氣渦輪以及壓氣機和渦輪的進排氣裝置組成。氦氣輪機采用單軸立式布置，工作時由徑向電磁軸承和軸向止推電磁軸承支承、非工作狀態由徑向機械軸承和軸向止推機械軸承支承。由于氦氣輪機采用單軸雙支承結構，從而決定了其柔性轉子的動力學特征。在總體結構設計上，如何調整轉子臨界轉速、如何確保轉子過臨界時較小的振動幅值以及如何保證計算的準確性等，這些都是我們十分關心的問題。本文就是針對上述問題，論述工程設計中配合總體結構設計，進行氦氣輪機轉子臨界轉速與振型計算以及氦氣輪機轉子穩態諧波響應計算與分析。
2.計算模型
2.1 幾何模型
圖1為氦氣輪機轉子結構。從左到右分別為低壓壓氣機轉子前軸及其上的支承、低壓壓氣機轉子、高低壓壓氣機間聯接軸、高壓壓氣機轉子、高壓壓氣機與氦氣渦輪間聯接軸、氦氣渦輪、渦輪后軸及其上的支承。
圖1 氦氣輪機轉子支承結構
轉子動力學計算是配合氦氣輪機總體結構設計進行的，因此，要求計算結果要保證一定的精度，同時還要進行很多不同結構方案的計算，而氦氣輪機轉子結構復雜，完全模擬轉子的實際結構會給計算帶來很大的不便，甚至會產生局部振動干擾整個轉子的動力學計算的情況。基于上述考慮，決定計算模型采用三維計算模型，但對三維模型進行必要合理的簡化。
展開 小型高速離心壓氣機設計
小型高速離心壓氣機設計
壓氣機導向器葉片的鹽霧腐蝕仿真 ￥500
<p>本案例建立了一壓氣機導向器葉片模型，如圖1所示?；贑OMSOL軟件的二次電流模塊仿真了壓氣機導向器葉片的電極電位，并基于電流分布殼體接口求解薄電解質域內的電解質電位。電解質膜的厚度取決于鹽負荷密度和相對濕度。氧溶解度和電解質電導率也取決于相對濕度。使用與大氣腐蝕模型相同的表達式來分析電解質膜厚、氧溶解度和電解質電導率與相對濕度的相關性。仿真結果如圖2所示。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/c238539d1c4448d385a40815ac069aa7.png" alt="Untitled11.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖1 幾何模型</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/7ac3e5fa234a4211bc4cdf934005e009.png" alt="Untitled12.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>腐蝕電流密度</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/10f4d4177d534c529e4f9a7bd34aadd1.png" alt="Untitled13.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>電極電流密度和電勢分布</strong></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎交流合作</p><p><br></p><p><br></p>
展開 基于CAESES建模的壓氣機蝸殼優化
最后使用mateface功能，完成蝸舌創建，得到壓殼模型如下。
最后，創建完成該模型后則可以通過CAESES優化模塊進行性能優化，或者各個參數對性能影響的分析工作。該部分的操作和執行方式見其他文檔描述。
以下是根據優化進口面積大小和最大外輪廓半徑得到的優化結果。
壓氣機盤模態及靜力學分析
本文采用壓氣機盤模型（包含small features和to thin solids）,采用simsolid進行模態分析及離心載荷下的靜力學分析，并與ansys workbench軟件的計算結果進行比較，發現對于含小特征及薄壁結構模型的模態分析，simsolid對小特征及薄壁結構的局部模態捕捉不佳。進行靜力學分析時，要注意simsolid計算得到的約束處的應力可能不是真實應力。
幾何模型：
geometry.rar
simsolid模型：
static.part1.rar
static.part2.rar
Compressor 2_mode.rar
利用STAR-CCM+對壓氣機葉型進行優化
壓氣機作為發動機的重要部件，對發動機性能有重要影響；在高推重比渦輪風扇發動機中，高負荷跨聲速壓氣機內部的流動情況復雜多變，葉型損失和二次流損失大大增加了壓氣機的設計難度；研究壓氣機三維葉片和流道對激波和復雜二次流動的影響機理及提升相應的控制技術，使得壓氣機優化設計成為高性能壓氣機設計過程中至關重要的環節。
數值方法
研究模型
研究對象為跨聲速壓氣機轉子NASA Rotor 37轉子， Rotor 37是NASA Glenn Research Center于 20 世紀 70 年代設計的四個高壓壓氣機進口級之一，后來NASA采用激光測速儀和探針對孤立轉子流場進行了詳細的測量，如圖。
展開 