微型燃气轮机具有高效、可靠、结构紧凑及排放低等优点,在能源动力及军事工业中占有十分重要的地位,微型燃气轮机的研发和应用是目前的重点研究课题。本文研究了微型燃气轮机关键部件向心透平的结构设计,编写了向心透平叶轮、喷嘴环和进气蜗壳的设计计算程序。在利用Pro/Engineer、ICEM-CFD、STAR-CD等软件的基础上建立了一个向心透平内部三维流场的数值计算分析平台,对WD095型向心透平的内部流场进行了数值计算与分析。计算结果表明静止部件设计相当成功,改进设计的空间很小;转动部件叶轮从总体上来说设计比较成功,但存在着一定的改进设计的空间。 针对流动分析过程中发现的问题,本文对WD095型向心透平结构的优化设计进行了探索。通过三个算例初步探讨了蜗壳几何尺寸对于向心透平性能的影响;利用数值实验的方法研究了喷嘴环叶片出口角度与向心透平质量流量之间的关联关系;在叶轮设计中重点研究了叶片抛物面指数t对向心透平性能的影响,通过优化指数t改善了叶轮中的流动,使向心透平的效率提高了2.18个百分点;对于原始设计方案流动分析结果表明,短叶片的设计对于叶轮内部的流动有着比较重要的影响,本文针对流场中的问题提出了一种不同的设计方法,进一步减小了叶轮中的流动损失。本文通过各种措施的改进,最终使向心透平的效率在原方案基础上提高了2.6个百分点。 本文的研究工作归纳出了向心透平优化设计的一些指导性结论,本文所建立的向心透平气动设计与流动数值分析平台为结构优化设计提供了一个实用而有力的工具,该平台可以大大的缩短设计周期,节约设计成本。