重燃压气机典型级气动性能的数值研究

论文摘要

压气机作为燃气轮机的一个重要部件,对燃气轮机的效率和功率起着决定性的作用。现代大功率燃气轮机对压气机的性能提出了更高的要求,如高压比、高转速、高的效率,同时又要求其具有较高的可靠性、较长的使用寿命及较轻的重量。在总结了国内外关于多级轴流压气机气动性能数值模拟的相关文献基础上,本文对多级轴流压气机气动性能数值模拟的现状进行了综述,并介绍了CFD软件的主要特点以及它在我国现今的应用现状。为了掌握多级轴流压气机的气动性能以及总体布局和结构性能特点,本文使用Numeca软件对某燃气轮机多级轴流压气机的第14、15、16级进行了全三维数值模拟,三级压气机网格划分采用IGG完成,采用FINE进行计算,湍流模型选择的是单方程Spalart-Alimaras模型。通过对三级轴流压气机的三维流场的定常数值模拟研究,首先对该三级压气机的总体性能参数进行了分析;从各列叶片表面的型面压力分布、叶片表面极限流线、以及各叶片排出口处S3截面熵等值线分布等角度对该三级压气机的三个运行工况:设计工况、喘振工况及阻塞工况分析了压气机的叶型与叶片的设计特点。采用适用于多级轴流式叶轮机械流动的非定常数值求解方法Harmonic方法对该三级压气机进行了非定常数值研究。分析了14、15、16级的非定常流场,通过对一个周期内熵和压力的对比,分析了非定常条件下叶片排之间存在的非定常干扰,及其叶片表面气动负荷呈现的周期性变化。对各列叶片进行了叶片气动力负荷计算,并分析了在一周期内不同时刻的气动力、气动力矩和气动力方向角的波动及幅值变化。经过分析结果发现,随着出口背压的增大,流动越来越复杂。进口气流对静叶有较大的负冲角,在改进设计中应该改善动、静叶之间的匹配。近端壁附近的流动由于粘性摩擦力的作用和前面级流动的积累偏离了设计工况,可改善各级动静叶的气流角匹配和各级间的气流角匹配来提高整体性能。由尾迹和势流引起的压力波动必然会清晰地反映在叶片气动负荷的非定常波动上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 国内外在该领域的研究历史和现状
• 1.3 多级轴流压气机
• 1.3.1 多级轴流压气机的工作特点
• 1.3.2 压气机叶栅中的涡系结构
• 1.4 CFD 商业软件简介
• 1.4.1 CFD 在压气机内流研究中的意义
• 1.4.2 计算流体力学（CFD）简介
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第2章 计算流体力学理论基础及网格生成
• 2.1 控制方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.1.4 湍流基本方程
• 2.2 湍流的数值模拟方法
• 2.2.1 直接数值模拟（DNS）
• 2.2.2 大涡模拟（LES）
• 2.2.3 Reynolds 平均法（RDNS）
• 2.2.4 统计平均法
• 2.3 单方程SA 湍流模型
• 2.4 网格生成
• 2.4.1 计算模型
• 2.4.2 网格划分
• 2.5 本章小结
• 第3章 定常流场分析
• 3.1 总体性能分析
• 3.1.1 总体性能分析
• 3.1.2 三级设计工况整体流场分析
• 3.2 第14 级流场分析
• 3.2.1 设计工况的流场分析
• 3.2.2 近阻塞工况和近喘振工况的流场分析
• 3.3 第15 级流场分析
• 3.3.1 设计工况的流场分析
• 3.3.2 近阻塞工况和近喘振工况的流场分析
• 3.4 第16 级流场分析
• 3.4.1 设计工况的流场分析
• 3.4.2 近阻塞工况和近喘振工况的流场分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 非定常流场的分析
• 4.1 引言
• 4.2 数值方法
• 4.2.1 非定常数值模拟
• 4.2.2 Harmonic 方法
• 4.3 流场特性分析
• 4.3.1 熵的输运
• 4.3.2 型面静压分析
• 4.4 叶片气动负荷计算
• 4.4.1 叶片受力分析方法
• 4.4.2 叶片的非定常气动力
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢