毫米级微型向心涡轮内部流动机理、多学科设计方法及试验研究

Due to advantages of the small size, light weight, compact structure, strong portability, high reliability, fuel adaptability, higher power density and energy density, Millimeter-scale micro gas turbine has become a new highly competitive mobile energy and auxiliary power unit. This project aims to study and analysis the internal flow mechanism, multidisciplinary design method and experimental investigation of micro radial turbine with millimeter-scale. The scaling effect, aerodynamic performance, heat loss, clearance leakage and low Reynolds number flow, the complex internal flow field and conversion of heat into power characteristics of micro radial turbine will be investigated and developed for a 10 mm's micro radial turbine by using the accurate numerical simulation method, which including the analysis of mesh generation, turbulence model and transition model, and non-adiabatic boundary condition. The internal flow mechanism and its influence mechanism for overall performance of micro radial turbine will be revealed. The new integrated design method and coupling multidisciplinary characteristic combined optimization system will be established. The ultra high rotational speed performance test for this 10 mm's micro radial turbine will be carried out with the help of using rotor dynamics to overcome some key technology issue of the test. The project will enrich the basic theory, improve the design method and provide the reliable theoretical basis and valuable technical support for the research and development of millimeter-scale micro gas turbine and its energy supply system.

毫米级微型燃气轮机由于具有尺寸小、重量轻、结构紧凑、便携性强、燃料适用性广、功率密度与能量密度高等优势，成为一种极具竞争力的新型移动式能源和辅助动力装置。本项目开展其核心部件毫米级微型向心涡轮的内部流动机理、多学科设计方法以及性能试验研究。通过采用包含网格划分与精度分析、湍流模型与转捩模型对比分析、非绝热壁面边界条件等精确数值模拟手段，重点对10mm级微型向心涡轮的气动性能、传热损失、间隙泄漏、低雷诺数流动及尺寸效应进行分析；通过内部复杂流场结构及其热功转换特性的相关研究，揭示其内部流动机理及其对总体性能的影响机制，建立其具有多学科耦合特点的综合设计方法；通过应用转子动力学理论解决轴承稳定性及低频涡动等关键问题，开展超高转速性能试验研究；以期丰富对毫米级微型向心涡轮的内流理论的认识，完善其设计方法，从而为自主研发作为新型能源装置的毫米级微型燃机及其供能系统，提供可靠的理论基础及技术支持。

项目背景：毫米级微型燃气轮机的特点符合未来对微型电源和移动能源的需求，它不仅可作为高性能燃气发电装置，也可应用于微型燃气发动机，为各种军民用微型高性能动力装置服务，具有广阔的军民用前景。鉴于国内对毫米级微型燃气轮机的研究起步不久，而世界各国高校和研究机构均已进入原理机试验阶段。因此，非常有必要开展毫米级微型燃气轮机系统尤其是其核心部件微型向心涡轮的相关基础研究，探索其内部流动机理、设计方法及试验方法，为自主研发的毫米级微型燃气轮机及其供能系统提供可靠的理论基础及有价值的技术支撑。.主要研究内容：本项目围绕毫米级微型向心涡轮内部流动机理、多学科设计方法、超高转速性能试验三个方面展开。主要内容有，1）毫米级微型向心涡轮数值模拟方法与内部流动机理研究，2）毫米级微型向心涡轮多学科设计方法研究，3）毫米级微型向心涡轮超高转速性能试验研究。.重要结果：1）提出了毫米级微型燃气轮机及其核心部件的多学科设计原则及方法。2）获得了毫米级微型向心涡轮内部流动特性，并将内部流动机理对其重要参数的影响进行了量化。3）提出了毫米级微型向心涡轮的权衡设计方法，对比设计了四种微型向心涡轮叶型，实现了其高效设计和性能分析，并提出了提高其性能的三种有效途径。4）开展了两期微型向心涡轮的超高转速性能试验，获得其部分转速下的性能特性，并为微型叶轮机械的性能试验积累了经验。5）建立了包含四个模块的毫米级微型向心涡轮多学科权衡设计流程，构建了包含基础理论、数值模拟、试验验证在内的较为完整的毫米级微型向心涡轮的研究系统。.科学意义：本项目针对研究对象，提出了多学科权衡设计思想，研究内容、研究手段组成了微型向心涡轮综合设计系统。研究成果为本领域的同类研究提供了相关的基础理论、设计原则、设计方法，模拟方法、试验手段及参考结果，研究工作具有重要的学术指导意义和工程应用价值。