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某型轴流燃气涡轮气动设计及强度分析

作　者: 韩阳
导　师: 陈浮
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 轴流涡轮气动设计数值模拟强度分析可控涡
分类号: V235.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着科技的发展,航空发动机在国民经济和国防中的地位越来越重要。而涡轮作为航空发动机的核心部件,其设计工作受到越来越多的国家重视。现代涡轮向着高负荷方向发展,叶片流道内的流动状态趋于复杂化和高速化,经常会出现跨音速流动,甚至是超音速流动。因此对跨音速涡轮的设计理论和设计方法的研究,以及对跨音速涡轮的数值模拟和性能的提高是近些年国内外关注的热点。跨音速涡轮的损失主要包括叶型损失、二次流损失、端壁损失、叶顶泄漏损失以及导向器根部和转子上部的激波损失。本文采用了可控涡设计思想,可以有效的提高根部反动度,减小顶部的反动度。根部反动度的提高可以在一定程度上减小导向器根部的激波强度和超音区域;而顶部反动度的减小,可以减弱转子上部的激波强度和超音区域。研究结果表明,通过调整各截面的叶型角和厚度沿子午方向的分布,实现合理分配各叶型截面以及子午方向的气动负荷,是获得高气动性能跨音速涡轮的有效方法。此外,设计中还采用了后掠叶片的设计方法,使叶片压力呈现C型分布,驱使流体从两端向中间流动,中间流体卷吸两端低能流体,减小两端端壁损失,提高了涡轮的气动性能。本文从设计要求开始,进行一维和三维气动设计,采用可控涡扭曲规律,获得叶片尺寸,使用商用软件CFX进行三维气动计算,对设计结果进行修正。最终获得了满足设计要求的设计结果。分析了设计工况下的三维流场,研究了新设计方案相对于原方案的改进之处。分析了在涡轮工作条件改变时,涡轮所表现出的流量效率等特性。最后对新设计涡轮进行了强度分析,在耦合了压力场和温度场的条件下进行了强度校核。认为涡轮设计满足强度要求。涡轮设计是成功的。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第1章绪论  7-16
  1.1 背景及意义  7-8
  1.2 涡轮内部流场的损失模型  8-12
  1.3 现阶段国内外叶片设计方法  12-15
  1.4 主要研究内容  15-16
第2章数值计算方法简介  16-21
  2.1 软件简介  16-17
  2.2 控制方程  17-18
  2.3 湍流模型  18-19
  2.4 壁面函数  19-20
  2.5 交界面处理  20-21
第3章轴流涡轮气动设计及三维流场分析  21-64
  3.1 涡轮气动设计  21-34
    3.1.1 设计要求  21-22
    3.1.2 设计方法简介  22-23
    3.1.3 一维设计  23-30
    3.1.4 可控涡设计  30-34
  3.2 三维修正结果  34-39
  3.3 设计工况下三维流场分析  39-60
    3.3.1 三维网格划分  39-41
    3.3.2 三维流场分析  41-60
  3.4 不同转速下的涡轮特性分析  60-63
  3.5 本章小结  63-64
第4章轴流涡轮转子的多场耦合求解和强度分析  64-79
  4.1 计算方法及选用材料简介  64-66
  4.2 单叶片结构计算  66-74
  4.3 全叶片结构计算  74-78
  4.4 本章小结  78-79
结论  79-80
参考文献  80-87
致谢  87

某型轴流燃气涡轮气动设计及强度分析

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