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涡轮三维设计及性能优化

作　者: 高怡秋
导　师: 刘学义
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 轮机工程
关键词: 涡轮气动设计数值模拟性能优化弯曲叶片
分类号: TK472
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

涡轮是燃气轮机的主要部件,其功用是将来自燃烧室的高温、高压燃气中的部分热能和压力能转换成机械功。船舶燃气轮机的特点为功率大、燃气温度高、转速高、效率高,同时对尺寸、重量有严格的要求。而对涡轮气动设计理论与设计方法的研究,以及对涡轮的数值模拟和性能优化一直是国内外叶轮机械气动热力学领域关注的重点。本文以给定涡轮设计要求为依据,对某型船舶燃气轮机动力涡轮第一级进行叶型设计,分别采用等环量以及等α₁扭曲规律对涡轮进行了三维气动设计,根据所得参数,运用参数化法生成叶型。应用商业软件NUMECA,对所生成的叶型进行了数值模拟,比较了两种扭曲规律的不同以及优劣,并将数值模拟结果与设计值进行对比,以验证数值模拟的正确性。着重对等环量叶片进行了分析,包括S₁、S₂流面分析、叶栅通道中涡系的研究、二维非定常流场特性的分析。分析了设计叶型的不足以及叶片载荷分布对气动性能的影响,通过对比压力分布,及其对总压损失系数、绝热效率的影响,确定改进方案;根据二次流损失机理,尝试对静叶、动叶采用不同弯角的弯叶片,通过数值模拟得出结论:叶片的弯曲可以控制径向压力梯度,并能够改变级的反动度沿叶片高度的分布,有效改善叶栅流场;并对静叶、动叶分别采用不同弯曲角度的多种组合模型方案进行数值模拟,提出静叶、动叶在采用弯曲叶片后由于气流角、马赫数等参数变化而引起的匹配问题,得出在采用匹配合理的静叶、动叶后,可有效提高效率;最后,对涡轮叶片采用了不同的轴向间距,并分析其对气动性能的影响。经过对叶片载荷分布、叶片弯曲、轴向间距三个方面的分析以及改进,涡轮绝热效率提高了1.84%,表明本文对涡轮的性能优化以及改进方案是降低损失、提高效率的有效手段。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 燃气轮机的发展概况以及简要介绍  10-12
  1.2 涡轮叶片设计的发展  12-16
  1.3 CFD技术及 NUMECA软件介绍  16-18
  1.4 本文工作  18-20
第2章涡轮气动设计及叶片成型  20-49
  2.1 涡轮基元级的基本方程  20-25
  2.2 涡轮气动设计的性能要求及设计方法  25
  2.3 涡轮通路基本尺寸的确定  25-27
  2.4 平均直径的气动计算  27-28
  2.5 沿叶高的气动计算  28-36
  2.6 三维叶片成型  36-48
    2.6.1 叶片参数化造型方法  36-42
    2.6.2 平面叶栅参数的确定  42-43
    2.6.3 叶型的调整  43-45
    2.6.4 三维叶片造型  45-48
  2.7 本章小结  48-49
第3章数值计算方法  49-60
  3.1 控制方程  49-51
  3.2 湍流模型  51-53
  3.3 控制方程组的离散  53-57
    3.3.1 空间离散  53-55
    3.3.2 时间离散  55-57
  3.4 网格生成  57-59
    3.4.1 多重网格技术  57-58
    3.4.2 隐式残差光顺技术  58
    3.4.3 网格生成模块  58-59
  3.5 本章小结  59-60
第4章涡轮数值模拟及分析  60-80
  4.1 计算网格及边界条件  60-62
  4.2 两种不同扭曲规律叶片的比较  62-64
  4.3 模拟结果与设计值对比  64-66
  4.4 S_1、 S_2流面分析  66-72
  4.5 通道中的涡系  72-76
  4.6 二维平面叶栅非定常模拟  76-79
  4.7 本章小结  79-80
第5章涡轮性能优化及改进  80-107
  5.1 叶片载荷分布对气动性能的影响  80-84
  5.2 叶片弯曲对气动性能的影响  84-103
    5.2.1 弯扭叶片降低能量损失的机理  84-87
    5.2.2 弯叶片的设计思想与准则  87-89
    5.2.3 静叶弯曲  89-93
    5.2.4 动叶弯曲  93-96
    5.2.5 动静叶匹配问题  96-99
    5.2.6 弯曲叶片的综述  99-103
  5.3 叶片轴向间距对气动性能的影响  103-106
  5.4 本章小结  106-107
结论  107-110
参考文献  110-116
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  116-117
致谢  117-118
附录A  118-120
附录B  120-121

涡轮三维设计及性能优化

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