针对离心式压气机驱动向心透平系统的流道内存在气动损失的问题,本文利用ANSYS-CFX软件对向心透平系统的流道流场进行了数值仿真计算与分析解。通过对仿真结果与实际的压气机叶轮参数对比分析,验证了仿真方法的准确性。叶轮流场气体流动规律分析结果表明高转速叶轮气体跨声速流动时,主要气动损失有因激波产生的损失、二次流损失以及叶顶间隙造成的损失,并且损失随转速增加而增加。

采用正问题设计方法设计了一个压比为4.2的离心压气机模型。根据压缩系统边界条件约束,首先进行了一维计算,获取叶轮的轮廓图,然后采用参数化建模方法建立了含分流叶片的三维模型,运用CFX软件对不同叶片稠度下的叶轮气动热力学进行了对比数值计算,分析叶轮内部流场及其性能,最终选定9叶片的叶轮为最佳方案。在扩压器的设计方面,提出了一种叶片高度逐渐增加的有叶扩压器模型,并使用CFX对设计的扩压器模型与普通的扩压器进行了数值计算,定量分析其扩压机理及其总压损失特性,计算结果表明所设计的扩压器扩压效果明显优于普通的扩压器。所得结果可为离心式压气机的气动设计提供理论参考。

离心式压气机作为微型燃气轮机的核心部件,对其整体性能有重要影响。为使微型燃气轮机上所用离心式压气机的叶片形状达到所需压比、效率等性能的目的,利用Concepts NREC软件完成了一台适用于100 k W、60 000 rpm微型燃气轮机的离心压气机的一维方案设计、准三维设计和造型。利用经过校核的全三维CFD软件所设计的离心压气机性能进行了验算,结果表明,该离心压气机内流流动参数分布合理,各项性能完全满足设计指标要求。

机匣处理作为一种高效、经济的扩稳技术，越来越多的被用以提高压气机的稳定工作裕度。为了研究机匣处理对离心压气机多工况性能的影响，本文对3种进气回流机匣结构的压气机模型和无机匣处理的实壁压气机模型分别进行了数值仿真分析。数值计算结果与最优模型的试验结果吻合较好，比较准确的预测了喘振边界的位置，验证了计算方法的可靠性。结果表明，只有结构合理的进气回流机匣处理才能在各个转速下均显著扩大压气机小流量的稳定工作范围，其中机匣处理的开槽位置和前置导流挡板对其性能有着重要影响。

为分析叶轮和扩压器耦合作用下的压气机内部流场，在级环境下对Z305增压器离心压气机进行了数值研究，结果表明该压气机的工作范围较狭窄和整级效率较低的原因在于叶轮出口段到扩压器进口处都存在较大的涡流区。通过减少扩压器叶片数和缩短叶片尾缘的长度，改善了叶轮和扩压器的耦合关系，使得压气机工作范围和在多工况下的效率和压比等性能参数都明显提高。