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民用飞机发动机增压级设计与试验研究余华蔚;程荣辉;夏联【摘要】本文介绍了某三级增压级的设计与试验研究.该增压级是根据支线飞机发动机对增压级的要求,针对民机的技术特点,发展和应用了多项关键技术,通过设计和试验研究,在国内首次研制成功全工况性能优异的满足民机增压级性能要求的三级增压压气机部件.其试验性能全面达到和超过其性能指标要求,填补了我国在民机增压级设计技术方面的空白,为我国大型客机增压压气机的设计提供了技术支持,也为民机发动机的研制奠定了坚实、可靠的基础.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2010(023)001【总页数】8页(P1-8)【关键词】增压级;设计;试验【作者】余华蔚;程荣辉;夏联【作者单位】中国燃气涡轮研究院,四川,成都,610500;中国燃气涡轮研究院,四川,成都,610500;中国燃气涡轮研究院,四川,成都,610500【正文语种】中文【中图分类】V235.13+31 引言增压级是民用发动机的主要部件之一，军用发动机没有增压级部件。
增压级的设计与风扇/压气机有类似之处，但也有其特殊性，如气流通道形式异形，且切线速度低、级负荷重、加功困难等，研制中涉及了气体动力学、计算流体力学、传热学、结构力学、强度、材料与工艺应用、试验与测试等技术领域。
增压级作为大涵道比涡扇发动机的重要部件，世界各主要发动机公司均具有较高的设计水平和丰富的经验。
以P&W公司为例，近年来采用先进的CFD技术，使增压级气动性能得到了很大的提高，其新近设计的增压级已不再进行部件试验，而在加工后直接装上发动机进行整机试车。
在我国，还没有自行研制的民用涡扇发动机增压级。
因此自行研制民用涡扇发动机的重要部件——增压级，掌握增压级关键设计技术和研制技术，积累必须的试验数据，是研制民用涡扇发动机亟需解决的难题。
本文介绍的某三级增压级是国内首次研制成功全工况性能优异的满足民机增压级性能要求的三级增压压气机部件，其试验性能全面达到和超过各项指标要求，填补了我国在民机增压级设计技术方面的空白，为“十一五”国内已着手开展的大型客机增压压气机设计提供了技术支持，为民机发动机的研制奠定了坚实、可靠的基础。
Dynamical Systems and Control 动力系统与控制, 2019, 8(2), 63-70Published Online April 2019 in Hans. /journal/dschttps:///10.12677/dsc.2019.82008Performance Simulation and DesignCalculation of the System of CentrifugalCompressor-Driven Centripetal TurbineYufei Jiao1, Huazhi Li2*, Qianchao Liang31Equipment Department of Navy East Sea Fleet Military, Ningbo Zhejiang2Information Communication College of National University of Defense Technology, Wuhan Hubei3College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan HubeiReceived: Mar. 5th, 2019; accepted: Mar. 16th, 2019; published: Mar. 27th, 2019AbstractAiming at the problem of aerodynamic loss in the flow passage of centrifugal compressor-driven centripetal turbine system, numerical calculation and analysis of flow field were carried out to obtain the optimum performance of centrifugal compressor-driven centripetal turbine system.The ANSYS-CFX software is used to analyze the compressor blade. The simulation results are ob-tained and compared with the actual parameters of the compressor impeller. The accuracy of the simulation is verified. The gas flow law of impeller flow field is studied. The results show that the main aerodynamic losses in transonic flow of high-speed impeller gas are caused by shock wave, tip clearance, and the losses increase with the increase of rotational speed, as well as secondary flow losses.KeywordsCentrifugal Compressor, Impeller, Aerodynamic, Numeral Calculations离心式压气机驱动向心透平系统的性能仿真及设计计算焦宇飞1，李华志2*，梁前超31海军东海舰队##装备部，浙江宁波2国防科技大学信息通信学院，湖北武汉3海军工程大学动力工程学院，湖北武汉*通讯作者。
大流量高压比单级高速离心压气机设计王永生;林峰;曹小建;曹萍【摘要】在我国节能与环保的大背景下,电厂脱硫氧化和生物发酵等领域对所需的离心压气机提出了新的设计要求:大流量、高压比、高效率.因此,根据企业和市场的实际需求,开发了首台大流量(500Nm3/min)、高压比(级压比3.6)、单级高速离心压气机.利用自主开发的离心压气机气动设计程序提供几何数据,通过三维数值模拟手段评估离心压气机各项性能,最终由样机试验确定设计是否达标.试验结果显示各项性能参数均满足设计指标.由于不需要使用中间冷却器,相对于目前市场上应用的两级离心压气机产品而言,所研发的单级离心压气机具有结构简单、制造成本低、效率高等特点.【期刊名称】《风机技术》【年(卷),期】2016(058)001【总页数】5页(P50-54)【关键词】离心压气机;大流量;高压比;单级;高速【作者】王永生;林峰;曹小建;曹萍【作者单位】中国科学院工程热物理研究所;中国科学院工程热物理研究所;江苏金通灵流体机械科技股份有限公司;江苏金通灵流体机械科技股份有限公司【正文语种】中文【中图分类】TH452;TK05Abstract离心压缩机作为工业生产中的重要组成部分，具有可靠性高。
结构紧凑、单级压比高等特点，广泛应用在小型燃机、涡轮增压器、制冷系统和石油化工等设备和工艺流程中。
在国家“十二五”节能减排规划下，需要进一步提升其运行效率、降低能耗。
随着先进设计技术的发展，离心压气机产品不仅仅局限于原来常规流量系数类型，还延伸到混流压气机和轴流压气机应用范围内。
从设计角度上说，这意味着一些设计参数不再局限于传统的经验取值范围之内。
近年来，工业界内各领域所应用的离心压气机逐渐朝着单级大流量高压比的方向发展［1］。
例如：污水处理厂采用的鼓风曝气工艺，当风量大于300Nm3/min时，单级离心鼓风机较多级离心鼓风机、罗茨风机而言，成本低、能耗低、性价比高［2］。
而在电厂脱硫氧化和生物发酵等领域，当所需的大流量气源压力高于约3.3个大气压时，往往采用带有中间冷却器的两级离心压气机产品。
车载燃料电池高速离心压气机叶轮设计作者：史成龙张洪信赵清海华青松来源：《青岛大学学报（工程技术版）》2020年第03期摘要：为解决燃料电池空气进入量不足导致效率较低的问题，本文设计了一款高速车载燃料电池离心压气机叶轮，通过Concepts NREC中的Compal模块，对压气机进行二维循环设计，同时采用AxCent模块进行离心压气机叶片几何设计，并使用Ansys中的流体仿真软件（computational fluid X，CFX）对叶轮流域进行计算流体力学仿真（computational gluid dynamics，CFD），将得到的流域情形与二维仿真计算结果进行对比研究。
研究结果表明，该离心压气机由电机驱动，在设计转速下叶轮最高效率可达08，工作范围为0012～014 kg/s，得到效果较好的流域，印证了二维设计的准确性。
该设计具有较宽的工作范围，能满足汽车对空气压缩机的要求，尤其在低流量范围，能更好的适应汽车行驶过程中的低速车况。
该研究对我国新能源的发展具有重要意义。
关键词：燃料电池; 高速电机; 离心压气机; CFX; 流體仿真; 低速车况中图分类号： U463.63+3; TH452文献标识码： A随着环境问题的日益突出与能源危机的加剧，车用能源的研究已从传统能源向着新能源方向发展。
燃料电池作为一种新型清洁能源，具有零排放或接近零排放、避免机油泄露带来的污染、减少温室气体排放、运行较平稳等优势[13]。
近年来，世界各国与各大公司把研究目光投入到燃料电池的发展方向上，空气压缩机作为燃料电池的重要组件，其性能对燃料电池至关重要，且与燃料电池性能具有直接关系，虽然加压的燃料电池供给系统具有更好的性能，但容积式压气机难以与涡轮相匹配。
而离心压缩机具有结构紧凑、单极压比高、小流量、易损件少、运行平稳、噪音少等一系列优点，已应用到航空航天、汽车等多种领域，被认为是将来最有前景的增压方式之一[47]。
高负荷高效率压气机级特性计算研究黄雄武;兰发祥;雷丕霓;赵莉【摘要】For a high loading and high efficiency compressor stage with low aspect ratio and swept-curved blade, computation and analysis of rotor blade characteristics and stator blade characteristics of compressor stage were accomplished by three-dimensional CFD software and one-dimensional estimation program. The research show that the results ofone-dimensional calculation are greatly different from that of three-di⁃mensional when empirical coefficient is defaulted;the results of one-dimensional calculation of OPR, mass flow and adiabatic efficiency is consistent with that of three-dimensional with corrected empiricalcoeffi⁃cient, so the empirical coefficient of one-dimensional calculation is determined. This analysis could be tech⁃nical support for estimation and calculation of high loading and high efficiency compressor characteristics.% 针对某采用小展弦比、复合弯掠等先进技术设计的高负荷高效率压气机级，采用三维CFD软件和一维特性预估程序，对压气机级转、静子叶排特性和级特性进行计算与分析。
大涵道比增压压气机试验件设计郑浩;杨建炜【摘要】This paper introduced the key technologies and solutions to the design of a LPC rig structure, as well as problems and debugging process in the first assembly of test specimen. The test demonstration was successfully accomplished and designing performance%主要介绍了某增压压气机试验件结构设计，包括了重点考虑的关键技术和解决方法，以及试验件首次总装中出现的问题和解决措施。
该增压压气机试验件圆满完成试验验证，全面达到设计性能指标，填补了我国增压压气机设计技术的空白，为民用发动机的研制提供了必要的技术储备。
【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2011(000)003【总页数】5页(P45-49)【关键词】民用发动机;增压压气机;试验件;结构设计【作者】郑浩;杨建炜【作者单位】中国燃气涡轮研究院,四川成都610500;中国燃气涡轮研究院,四川成都610500【正文语种】中文【中图分类】V235.1331 引言增压压气机是民用双转子发动机的主要部件之一，其作用是将风扇出口进入内涵流路的空气进一步增压，以满足发动机总增压比的要求。
结构布局上，增压压气机和风扇共轴并由低压涡轮驱动，进口承接风扇内涵出气，出口向外涵和高压压气机供气，由此带来气动设计匹配上的困难；此外，增压压气机转子叶尖切线速度低，流路设计不同于风扇和高压压气机，均带来设计上的考验。
世界各主要航空发动机公司在增压压气机研制方面均具有较高的设计水平和丰富的使用经验，其增压压气机设计加工完成后可直接装机使用而不再单独进行增压压气机部件试验验证。
基于Vista CCD的高增压比离心压气机设计和性能计算
作者：许志鹏沈伟于复磊
来源：《科技资讯》2015年第16期
摘要：基于Vista CCD离心压气机设计和气动性能分析软件，设计了一型增压比达到8的高增压比离心压气机，并利用叶轮分析工具对该压气机的叶轮的气动性能进行了验算。
计算结果表明：该型离心叶轮设计点的工况基本接近设计的预期值，但由于叶轮结构和高负荷带来的叶轮壅塞条件下气流参数分布的复杂性，叶轮的流量大于设计流量，由此验证了该软件良好的初级设计效果。
叶轮工作流场的数值分析结果还表明：高负荷叶轮出口部位后弯角度、前倾角度、叶顶间隙对整体性能均有影响。
关键词：Vista CCD 离心叶轮设计流场数值仿真
中图分类号：TH452 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（a）-0000-00
1.引言
离心压气机相比轴流式压气机具有单级压比高、小流量适应性好、轴向尺寸小、稳定工作范围宽广、零件少和可靠性高等优点[1][2]，因此在小流量的燃气轮机中得到了广泛的应用。
然而离心叶轮的叶片形状复杂，三维特征性强，且随气动负荷的增加，叶轮中流场会出现超音速流、激波等复杂气动现象，这使得离心压气机尤其是高增压比离心压气机设计和性能分析较为困难 [3-7]。
ANSYS中的Vista CCD模块是一种专门针对离心叶轮的初步设计软件，只需要设计者提供离心叶轮的设计转速、压比、流量等工作参数和叶轮尺寸、叶轮叶片基本几何特性参数即可快速计算出满足要求的离心叶轮，并根据工程经验参数估算整个压气机的特性参数，为离心压气机的初步设计提供了一个便捷的技术途径。
此外，ANSYS中叶轮气动性能分析套件还可利用Vista CCD的初始叶型进行验算和分析，进而优化叶轮乃至整个压气机的设计。
基于Vista CCD软件，本文设计了一型增压比达到8的小型离心叶轮，通过CFX软件对叶轮内部的流场进行数值仿真计算，验算了离心叶轮的性能，并对叶轮性能的影响因素进行了分析。
图1 设计计算流程
2.离心叶轮设计
2.1 总体流程
基于Vista CCD 软件设计离心叶轮的总体流程如图1所示。
首先根据设计者的需求，在Vista软件中提供离心叶轮的设计转速、压比、流量等工作参数和叶轮尺寸、叶轮叶片基本几何特性参数，计算得到满足需求的离心叶轮的相关信息，并结合Bladegen叶轮机械设计软件，生成对应的叶型和叶轮模型。
接着利用Turbogrid 软件对叶轮模型划分网格。
然后基于划分好的网格，利用CFX对离心叶轮的流场进行数值仿真计算。
最后，根据计算结果分析叶轮流场中速度、压力等参数的分布情况和叶轮的气动性能，研究影响叶轮性能的相关因素，为下一步叶轮的改进设计提供依据。
2.2 CCD设计参数
根据需求，离心叶轮的设计参数主要包括：
1.设计任务
标准条件下，压气机的设计转速54000r/min，流量1.8kg/s，设计状态下压比为8.1，效率为0.82。
2.几何参数选择
（1）为兼顾流通能力和高负荷条件下叶轮对气流的约束能力，采用大小叶片的形式，主叶片和分流叶片数为11。
（2）为兼顾作功能力和效率，采用后弯角度为30度，同时叶片出口前倾23度。
（3）叶片入口采用基本对准气流相对速度的准则。
3.压气机其他参数
整个压气机采用机加工方案，由此确定壁面光洁度并估算损失；扩压器采用叶片式。
将以上设计参数输入Vista CCD中，计算出满足需求的离心叶轮并预测压气机整体性能，如图2和图3所示。
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由Vista CCD预测的结果可见，该压气机基本能满足高增压比和相对高的效率要求，但是由于采用了高转速、高负荷设计，压气机在高转速条件下的流量范围均很窄，工作的裕度较小，这与压气机叶轮进口、出口超过音速，达到或接近拥塞有关。
3.离心叶轮工作流场验算
由于离心压气机的工作叶轮是压气机的关键部件，按照Vista CCD的估算，叶轮增压比将超过9，其气动性能是否稳定将直接影响发动机设计好坏，为此，本文主要对离心叶轮54000r/min设计点的工作流场进行了CFD三维流场数值验算。
计算采用了图1中的计算流程，并利用S-A湍流模型。
1.网格的划分
将Bladegen生成的叶轮模型导入Turbogrid软件中，该软件是专业的叶轮机械处理软件，可以方便快速地对叶轮模型划分网格，计算所用的表面网格如图4所示。
以该网格为基础，设置标准大气条件下，叶轮工作在设计转速时、设计背压条件下的边界条件，通过CFX的CFD 计算即可获得叶轮的工作流场。
从图5可见，在设计状态叶轮进口气流速度矢量的攻角、相对速度大小分布基本合理，小叶片起到了抑制高负荷叶片后段气流分离的作用，叶轮后段也采用了叶片前倾的技术措施，但该叶轮级采用了中等后弯角度的设计方案，加之气动负荷较高，在叶片后段80%叶高以上流动分离的趋势明显，流动损失相对较大，也限制了其稳定工作的范围，这也是制约叶轮整体效率进一步提高的主要原因之一。
此外，计算表明：设计转速下，叶轮入口基本处于拥塞状态，叶轮设计状态的流量接近进口壅塞流量，这和图3中预测是一致的，但CFD计算的拥塞流量和设计点的流量均在2kg/s左右，大于设计值1.8kg/s约10%，究其原因是实际叶轮中靠近进口叶根处入口马赫数小于1，整个叶轮拥塞面并不固定，也不是恰好在叶轮入口处，实际拥塞面面积均大于几何拥塞面，以上非线性的因素造成Vista CCD软件估算会有一定的误差。
图7给出了整个叶轮通道中静压分布情况，可见离心增压的压力分布相对合理，但是由于高级增压比的要求决定了叶轮出口的速度将相对高，计算的设计点出口平均绝对马赫数在1.2以上，相对一般压气机偏大，这会增加扩压器中的流动损失。
此外，由于级负荷较高，间隙相对大，叶顶间隙的泄漏明显。
图8可见，叶轮前段泄漏和后段的泄漏都较为明显，会影响叶轮通道的流动和效率。
4.结论
本文基于Vista CCD软件，设计了一型高增压比的离心压气机，并利用CFX软件对所设计离心叶轮的设计点的流场进行了仿真计算，分析计算结果得到如下结论。
（1）Vista CCD提供了便捷的离心压气机设计工具。
（2）高转速、高增压比离心叶轮进口基本处于壅塞状态，拥塞使其高转速范围内的流量特性很窄，特性线变得陡峭。
（3）小流量、高增压比离心压气机后弯角、页顶间隙等因素对其工作效率、工作范围均有一定影响。
参考文献
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