能量回收向心透平设计及内部流动分析

论文摘要

冶炼、化工、气井油井等的工业尾气中具有大量可利用的低品质能量,向心透平在这种余能回收利用上具有广泛的应用空间。进行可靠的向心透平设计及性能研究,对于节能降耗具有重要的工业应用价值及战略意义。本文采用基于一元稳定流动原理成功设计出给定工况高效率向心透平叶轮;使用Fortran语言编制了向心透平热力设计计算程序,采用非可展直纹抛物面成型法在给定工况下所获得的叶片基本参数的基础上建立了叶片三维模型,利用NUMECA软件对所设计向心透平进行了数值模拟;从几何角度出发提出了一种新的、更快捷、更高效的插值子午流道型线成型方法;分析对比了插值子午流道型线与传统设计子午流道型线的流动特性,表明了本文提出的插值子午流道型线可获得更合理的流场,其总体效率在传统设计基础上可提高1.5个百分点。最后利用NUMECA软件对某型号实际向心透平进行了数值模拟和详细分析,验证了此透平叶轮是高效、设计很成功的叶轮,并将之与本文所设计的向心透平流动性进行比较分析,得出本文设计透平在靠近轮盖侧可获得更好的流场,也佐证了本文采用非可展直纹抛物面成型法设计的叶型的合理性,以及基于一元稳定流动可快速设计出效率较高的向心透平。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和研究意义
• 1.2 透平的发展历史与现状
• 1.3 CFD 在向心透平设计分析中的应用
• 1.3.1 计算流体力学简介
• 1.3.2 透平机械内部流动模拟发展
• 1.3.3 CFD 在透平机械优化设计中的应用
• 1.4 本文主要内容
• 第二章 向心透平的结构设计
• 2.1 向心透平的工作机理及特点
• 2.1.1 向心透平工作机理
• 2.1.2 向心透平的特点
• 2.2 向心透平热力计算
• 2.2.1 模型简化
• 2.2.2 设计方案的选择
• 2.2.3 编程实现
• 2.3 喷嘴叶型选取及工作轮叶型设计
• 2.3.1 向心透平工质与工况参数
• 2.3.2 向心透平结构参数
• 2.3.3 喷嘴叶型选取
• 2.3.4 工作轮叶型设计
• 2.3.5 子午流道型线设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 设计向心透平内部流动数值模拟
• 3.1 向心透平内部三维流动数值求解方法
• 3.1.1 流动控制方程
• 3.1.2 湍流模型
• 3.2 计算网格划分及加速收敛技术
• 3.2.1 IGG/AUTODRID 网格划分方法
• 3.2.2 网格划分流程
• 3.2.3 NUMECA 求解器加速收敛技术
• 3.3 通过数值模拟分析确定喷嘴叶片数
• 3.4 工作轮数值模拟
• 3.4.1 工作轮网格划分
• 3.4.2 流动分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 实际叶轮与设计叶轮的比较分析
• 4.1 实际边界条件及网格划分
• 4.2 实际叶轮流动性分析
• 4.2.1 靠近轮毂旋成面
• 4.2.2 中部旋成面
• 4.2.3 靠近轮盖旋成面
• 4.2.4 压力面及吸力面
• 4.3 设计叶轮与实际叶轮的比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总结及展望
• 5.1 主要工作及结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录：向心透平设计程序（Fortran）
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 上海交通大学学位论文答辩决议书