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舰船燃气轮机机匣处理数值模拟研究

作　者: 金鹏
导　师: 刘学义
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 轮机工程
关键词: 多级轴流压气机引气轴向斜槽周向槽自循环机匣
分类号: U664.131
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

军用大型水面舰艇的主动力装置中，燃气轮机占有越来越大的比重，轴流压气机是现代燃气轮机动力装置的核心部件之一。各国海军致力于研发大档功率（一般30000马力以上）舰船燃气轮机的研发，因此要求压气机具有的更高的单级压比和效率以及在更少的级数上实现更高的负荷，这就给压气机的运行稳定性提出了更新、更高的要求。如何以最小的代价拓宽压气机的稳定运行工作范围是本文的研究意义之所在。本文以某舰船燃气轮机低压压气机为原型，针对该型机组巡航工况喘振裕度低、经济性差等问题开展研究。本文主要进行以下几方面的研究：1、对该压气机三级可转导叶转动前后所对应的不同转角建立了两套计算域模型，对压气机设计点工况进行数值模拟，验证网格及计算方法的可靠性。对两套计算域模型在实壁机匣下的7个转速（从低工况的5000转/分到高工况的7500转/分）进行了详细计算分析，得出不同转速下其失速的原因，并获得不同转速时的压气机率先失速级及其危险截面位置。详细分析可转导叶对压气机总体性能的影响。2、针对静叶尾缘处机匣端壁引气对各个转速下压气机气动性能的影响进行了分析研究，计算分析结果表明：引气使流量裕度和峰值效率以及近失速点效率略微增加。3、深入分析原机型带背腔的轴向斜槽机匣处理对压气机气动性能的影响，得出此处理机匣以降低效率为代价获得稳定裕度的增加。4、探索周向槽扩稳机理，对比分析周向槽不同槽位和槽深以及开槽面积对压气机性能的影响，依据其扩稳机理对周向槽进行优化，经过优化后的周向槽处理机匣可同时提高稳定裕度和峰值效率。5、在对自循环机匣处理的研究中，自循环机匣的喷射段入口位置、入口宽度和入口角度对压气机峰值效率影响很大，且入口位置应存在最佳值。本文对三个自行设计的自循环机匣结构进行数值模拟，验证了其在多级亚音速轴流压气机上的扩稳效果，其扩稳机理主要从压气机内部流动变化的改变，湍流粘性的变化以及功沿叶高的重新分配等几个角度来揭示，并得出此处理机匣能获得更高的稳定裕度。对比分析低转速和设计转速下不同结构的机匣处理对压气机总体性能的影响，根据实际需求，给出不同的设计建议，为工程应用提供依据。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-17
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 机匣处理简介  12-13
    1.2.1 机匣处理基本原理  12
    1.2.2 机匣处理性能参数  12-13
  1.3 机匣处理国内外研究现状  13-15
    1.3.1 机匣处理扩稳功能的发现  13
    1.3.2 国外研究现状  13-14
    1.3.3 国内研究现状  14-15
  1.4 压气机机匣端壁引气简介  15-16
  1.5 本文研究内容  16-17
第2章压气机内部流动数值模拟基础  17-24
  2.1 引言  17
  2.2 压气机内部流动控制方程  17-19
  2.3 湍流模型  19-20
  2.4 控制方程组的离散  20-21
    2.4.1 空间离散  20
    2.4.2 时间离散  20-21
  2.5 加速收敛技术  21-23
    2.5.1 当地时间步长  21-22
    2.5.2 隐式残差光顺  22-23
    2.5.3 多重网格法  23
  2.6 本章小结  23-24
第3章原机匣和引气的数值模拟研究  24-59
  3.1 引言  24
  3.2 数值计算模型校核  24-28
    3.2.1 研究对象简介  24
    3.2.2 计算网格划分  24-26
    3.2.3 计算的初边值条件  26-27
    3.2.4 收敛标准及失速点判定准则  27
    3.2.5 模型的校核  27-28
  3.3 实壁机匣数值模拟结果分析  28-38
    3.3.1 实壁机匣的特性曲线  28-30
    3.3.2 内部流场分析  30-38
  3.4 引气对压气机性能的影响  38-47
    3.4.1 总性能分析  38-42
    3.4.2 引气对压气机内部流场的影响  42-47
  3.5 原轴向斜槽机匣处理引气数值模拟结果分析  47-58
    3.5.1 原轴向斜槽机匣处理引气的特性曲线  48-49
    3.5.2 机匣处理处理级和危险截面的确定  49-53
    3.5.3 原处理机匣对压气机内部流场的影响  53-58
  3.6 本章小结  58-59
第4章周向槽处理机匣的机理研究  59-67
  4.1 引言  59
  4.2 周向槽的扩稳效果  59-61
  4.3 周向槽对压气机内部流场的影响  61-64
  4.4 周向槽的优化设计  64-66
  4.5 本章小结  66-67
第5章自循环处理机匣的设计研究  67-80
  5.1 引言  67
  5.2 自循环机匣结构设计及其扩稳效果  67-71
    5.2.1 关键尺寸对峰值效率的影响  67-69
    5.2.2 整机上的验证  69-71
  5.3 对压气机内部流动结构的改变  71-74
  5.4 功沿叶高的重新分配  74-75
  5.5 自循环机匣抽吸能力随工况的变化  75-77
  5.6 设计转速下各类型机匣性能的比较  77-78
  5.7 各类机匣性能比较  78-79
  5.8 本章小结  79-80
结论  80-82
参考文献  82-86
攻读硕士学位期间发表的论文  86-87
致谢  87

舰船燃气轮机机匣处理数值模拟研究

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