向心透平气动性能优化及气动设计

论文摘要

向心式透平以其结构紧凑、制造工艺简单、小流量下具有较高效率等优点在工程实际中有着广泛的应用。向心透平的设计既要满足一定的功率、效率、流量等总体性能要求,又要有效避免叶片数目过多带来的叶轮出口排挤问题和叶片数目过少带来的流道扩散问题,以获取较好通流效果,使透平具备较大做功能力。本文以本实验室自主设计的三级向心式透平为原型,通过三维数值模拟和对叶轮内流场的分析,发现叶片数目对叶轮整体的工作效率有着很大的影响。本文着重针对叶轮出口处的叶片稠度过大,在叶轮通道内采用加入分流叶片的方法对原型进行了改进,达到了较为理想的效果。通过对不同的长度及放置位置的分流叶片叶轮中的流动情况的数值模拟、对叶轮内部流场的分析对比,得到了短叶片长度和放置位置的最佳值,改善了原有叶轮内的流动特性,降低了出口处叶片稠度,并使叶轮的等熵效率比原有叶轮提高1.047%,完成了对叶轮的优化。在计算中发现调节静叶的安装角度对进、出口流量的控制十分有效。本文以三级向心透平的总体性能参数为设计参数,进行了重新设计。通过热力计算,得到了一台单级、超音速、全周进气的高负荷向心式透平,并以计算得到的叶轮主要几何参数对其进行了校核。在CFD软件中对导叶栅和动叶叶轮进行了参数化建模,进而对透平内部的流动状态进行数值模拟,通过对静叶及叶轮内部流动的分析,调整静子叶片及动叶叶轮的叶型,使能量在导叶栅和叶轮内分配更为合理,动静叶更好的匹配,以达到更好的通流效果,并通过对静叶栅喉部截面的调节控制蒸汽流量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 向心式透平的发展
• 1.1.2 向心式透平的特点
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 向心式透平的设计要求
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第2章 数值计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 数值模拟方法
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 湍流模型
• 2.3 网格模型
• 2.3.1 三级向心透平网格模型
• 2.3.2 单级高负荷透平网格模型
• 2.4 边界条件与初始条件
• 2.4.1 NUMECA边界条件与初值条件
• 2.4.2 CFX边界条件与初值条件
• 2.5 计算收敛准则
• 2.6 本章小结
• 第3章 三级向心式透平的优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 叶轮优化方法
• 3.3 数值结果分析
• 3.3.1 三级透平B2B截面速度分布
• 3.3.2 三级透平子午流道面速度分布
• 3.3.3 三级透平B2B截面熵分布
• 3.3.4 三级透平B2B截面压力分布
• 3.4 本章小结
• 第4章 单级高负荷向心式透平气动设计
• 4.1 引言
• 4.2 单级透平设计
• 4.2.1 单级透平热力设计流程
• 4.2.2 热力设计
• 4.2.3 叶轮强度校核
• 4.3 叶片参数化造型
• 4.3.1 导叶造型
• 4.3.2 叶轮造型
• 4.4 数值模拟结果分析
• 4.4.1 单级向心式透平子午流道面气动参数分布
• 4.4.2 导叶栅B2B截而马赫数分布
• 4.4.3 导叶栅B2B截面总压分布
• 4.4.4 导叶栅B2B截面流线图
• 4.4.5 叶轮B2B截面马赫数分布
• 4.4.6 叶轮B2B截面总压分布
• 4.4.7 叶轮B2B截面流线图
• 4.4.8 叶轮B2B截面速度矢量图
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 参考文献
• 致谢