高负荷氦气压气机叶栅和级性能研究

论文摘要

由于工质的差异性,采用空气常规设计方法的氦气压气机存在单级压比过小的问题。经验证,适用于氦气的大转折角叶型叶栅可使级负荷成倍增加;氦气压气机采用新型基元级设计方法,实现了提高压比,减少级数的目的。本文采用NUMECA的Fine/turbo软件包对5个参变量组合构成的324种新型平面叶栅进行了数值模拟研究,对结果数据进行关联研究,并得到了各参数反映损失规律性的最佳方案,在此基础上,计算了5个参量组合下162种新型基元级的性能。研究结果表明:常规设计下的扩压因子反映叶栅损失的规律在高负荷叶栅下不再适用;相同损失系数条件下,存在一个临界进气角使气流转折角达到最大,该临界进气角几乎仅与稠度相关;在较大稠度时,叶型最大厚度比变化对损失的影响十分可观,应用薄叶型很有利;新型基元级负荷得到大幅度提升,并且级效率还能维持在较高的水平。基于平面叶栅和基元级数值计算数据,设计了高负荷三维级和与之对比的常规三维级,并进行三维级数值模拟,模拟结果显示:该新型设计下的三维级方案是可行的,一个高负荷三维级设计方案:中径的马赫数0.465、能量头系数1.0、流量系数1.141、反动度0.5、稠度1.475,设计点的级压比达到1.1388,级效率达到89.86%,90%设计流量点的级压比和级效率为1.137和90.05%,110%设计流量点的级压比和级效率为1.139和88.99%,而作为比较的常规设计方案:中径的马赫数0.281、能量头系数0.419、流量系数0.5998、反动度0.5、稠度1.475,设计点的压比为1.067,效率为87.78%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 闭式燃气轮机的发展
• 1.1.1 工业发电
• 1.1.2 高温气冷堆
• 1.1.3 适应多种燃料
• 1.2 氦气工质的特点
• 1.3 氦气压气机级负荷问题
• 1.4 本课题的背景与已有的相关工作
• 1.5 本论文的工作目的与主要内容
• 第二章 高负荷氦气压气机平面叶栅的数值模拟和性能关联研究
• 2.1 平面叶栅数值计算
• 2.1.1 几何建模以及网格生成
• 2.1.2 数值计算方法
• 2.1.3 边界条件
• 2.1.4 收敛准则
• 2.2 数值计算结果分析
• 2.2.1 计算结果与NACA 计算数据对比
• 2.2.2 叶栅损失与落后角分析
• 2.2.3 叶栅做功能力分析
• 2.2.4 速度流场分析
• 2.2.5 叶型表面压力分析
• 2.3 新型叶栅的特点
• 2.3.1 扩压因子关联损失不再适用
• 2.3.2 结果数据的关联及插值
• 2.3.3 气流转折角的影响
• 2.3.4 叶型最大厚度比的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 高负荷氦气压气机基元级性能分析研究
• 3.1 新型基元级概念
• 3.1.1 新型基元级速度三角形
• 3.1.2 新型基元级叶型损失分析
• 3.2 基元级相关参量
• 3.2.1 基元级的反动度
• 3.2.2 能量头系数
• 3.2.3 流量系数
• 3.3 基元级模型的建立
• 3.3.1 基元级各参量的确定
• 3.3.2 雷诺数的影响
• 3.3.3 基元级性能参数
• 3.4 计算结果分析
• 3.4.1 稠度的影响
• 3.4.2 反动度的影响
• 3.4.3 叶型最大厚度比的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 新型高负荷三维级性能分析
• 4.1 三维级气动设计研究
• 4.1.1 高负荷三维级气动设计
• 4.1.2 常规设计三维级气动设计
• 4.1.3 高负荷三维级气动设计的比较结论
• 4.2 三维级气动性能数值模拟研究
• 4.2.1 数值模拟计算方法
• 4.2.2 数值模拟计算模型与网格划分
• 4.2.3 三维级气动性能数值模拟结果分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文