先进涡轮设计方法研究

论文摘要

随着现代涡轮向高负荷方向的发展,叶栅通道内的流动状态逐步趋于复杂。叶片高度的增长,使沿叶高的等功设计已经不能充分发挥长叶片高圆周速度部分的做功能力。同时加工技术的发展使得平面叶栅的外形不再局限于简单几何曲线的组合。先进的后部加载叶型与控制环流设计方法的结合成为了先进涡轮设计方法的重要研究方向。首先,本文对某型燃气轮机低压涡轮第二级的设计数据进行了分析,采用自由涡的方法对涡轮进行了重新设计。在涡轮设计过程中,同时进行了平面叶栅的设计,通过对平面叶栅绘制方法的研究,逐步改进叶型绘制方案,最终将均匀分布在抛物线形中弧线两侧的14个控制点用两条高阶贝塞尔曲线进行连接。通过叶栅平面流场的绕流计算,确定了叶栅三个设计截面上的叶片型线。在自由涡与后加载叶型相结合的设计中,对新设计与原设计进行了对比。通过叶片表面总压损失系数,证实了先进叶型在流动中可以降低叶型损失。通过对整体设计过程的分析,有针对性的总结了自由涡设计方法的优劣。其次,本文又进行了控制涡流设计的研究,通过设计数据的对比,体现出了控制涡流方法的优势。即在反动度的控制上更趋于等反动度设计,提高了根部的反动度及根部角差,对改善根部流动起到了积极的作用;降低了动叶顶部反动度,减小了动叶顶部的漏气损失。最后,运用可控涡流与先进的后加载叶型相结合的先进的涡轮设计方法,对涡轮进行了再次的设计,通过多个设计方案的对比,选择出了反动度变化较均匀,动叶扭曲程度较小的设计方案。并将其与上述方案进行了流场及损失的对比。本文从自由涡设计方法入手,在设计方法上进行了不断改进,在改进设计过程中,通过动静叶片出口气流角以及中间截面计算数据的对比,确定了某型燃气轮机的原始设计方案即采用了自由涡的设计方法。证明了自由涡的设计方法在现代先进涡轮设计中仍占有重要的地位。最终提出了先进的涡轮设计方法,即控制涡流与先进的后加载叶型相结合的设计方法。在设计方案的三维绕流计算中,计算网格有较好的独立性,计算结果与设计参数吻合良好,计算结果可信。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的意义和背景
• 1.2 涡轮叶片设计发展过程
• 1.2.1 一元流动模型
• 1.2.2 扭叶片的设计
• 1.2.3 三元流动模型
• 1.2.4 可控涡设计
• 1.2.5 先进涡概念的提出
• 1.3 涡轮平面叶栅设计发展过程
• 1.3.1 制图法绘制叶型
• 1.3.2 NACA系列叶栅
• 1.3.3 GE叶型自动优化系统
• 1.3.4 国内平面叶栅设计概况
• 1.4 本文的主要工作内容
• 第2章 流场数值模拟方法介绍
• 2.1 引言
• 2.2 NUMECA软件简介
• 2.3 数值模拟方法
• 2.3.1 计算网格
• 2.3.2 求解过程
• 2.3.3 边界条件
• 2.3.4 数据处理公式的定义
• 2.4 本章小结
• 第3章 先进涡设计基础——自由涡设计
• 3.1 引言
• 3.2 涡轮的准三维设计体系
• 3.3 叶栅通道流面设计
• 3.3.1 求解s2流场径向平衡方程
• 3.3.2 自由涡计算方法
• 3.3.3 计算数据对比
• 3.3.4 自由涡设计方法特点
• 3.4 平面叶栅造型及绕流计算
• 3.4.1 造型程序的改进
• 3.4.2 平面叶型的选定
• 3.4.3 选定平面叶栅的绕流计算
• 3.5 叶片空间积叠
• 3.6 三维气动分析
• 3.6.1 型面压力分布
• 3.6.2 叶栅流场
• 3.6.3 总压损失系数
• 3.7 本章小结
• 第4章 涡量控制技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 可控涡流设计的计算方法
• 4.3 可控涡流设计方法与自由涡设计方法相比的主要特点
• 4.4 可控涡设计与后加载叶型相结合的先进涡轮设计方法
• 4.4.1 “先进涡”的设计
• 4.4.2 设计方案选择
• 4.4.3 三维绕流计算
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A 平面叶栅绘制程序