燃气轮机加级方案研究及气动设计

论文摘要

燃气轮机采用前加级技术是发展新型大功率船用动力装置的重要途径之一。本文以某型船用大功率简单循环燃气轮机(简称MGT)为基础,探讨了通过以加级为主要手段,来满足增大发动机功率,提高效率的设计过程中所涉及的若干问题。首先,建立了MGT各核心部件的准确的变比热数学模型,并以其额定工况的热力参数为基础,针对前加级(0级)对总体性能的影响进行了全面深入的分析。然后提出了低压压气机前加一级、加两级、改变原型机工况点、重新模化设计低压压气机等六种改型方案,并详细分析各种方案的影响,最终确定了在低压压气机前加一高压比高负荷0级同时改变原型机额定工况点的改型方案。以此方案为设计目标,对所加0级进行气动结构设计。设计采用先完成动叶栅设计再匹配设计静叶栅的办法,通过参数化叶片造型的方法建立叶栅模型,并通过CFD数值计算来模拟求解叶栅模型的性能,针对初始设计的不足进行修正。经多次计算最终得到了一级压比达1.77,效率达90%左右的高负荷跨音速转子。在静叶栅的设计中,本文对直叶片、正倾斜叶片、正弯曲叶片方案分别进行了设计研究,并分析了产生二次流损失的机理及每个方案下的流场情况。发现在直叶片设计中,由于根部的速度较低,处于吸力面的部分很容易出现附面层加厚和分离；正倾斜叶片改善了根部流场的同时却在叶尖处出现了分离；正弯叶片对端壁损失控制较好,低能气体在径向压力的作用下向中径处聚集汇入主流,总损失降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 燃气轮机前加级设计概述
• 1.3 燃气轮机加级技术的国内外进展
• 1.3.1 国外发展
• 1.3.2 国内发展
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 燃气轮机循环研究与数学建模
• 2.1 MGT实际循环分析
• 2.2 工质性质的数学模型
• 2.3 MGT燃机热力数学模型的建立
• 2.4 MGT燃机热力数学模型的校核
• 2.5 本章小结
• 第3章 燃气轮机改型方案
• 3.1 引言
• 3.2 压气机部分各种改型方案的对比
• 3.2.1 低压压气机前加一级
• 3.2.2 低压压气机前加两级
• 3.2.3 加级后改变燃气初温以匹配涡轮工况点
• 3.2.4 加级后改变原低压压气机的工况点
• 3.2.5 加级后同时改变高低压压气机的工况点
• 3.2.6 重新模化设计压气机
• 3.2.7 最终方案的确定
• 3.3 本章小结
• 第4章 0级压气机气动设计
• 4.1 引言
• 4.2 超、跨音速压气机级的介绍
• 4.2.1 超、跨音速压气机的发展
• 4.2.2 跨音速压气机工作原理
• 4.3 叶片的气动设计
• 4.3.1 一维设计
• 4.3.2 叶型选择
• 4.3.3 叶片扭向设计
• 4.3.4 速度三角形设计
• 4.3.5 叶栅叶型几何参数的选择
• 4.4 本章小结
• 第5章 模型建立与计算方法
• 5.1 引言
• 5.2 叶型参数化设计
• 5.2.1 端壁型线的确定
• 5.2.2 流面的确定
• 5.2.3 积叠和弯掠设置
• 5.2.4 基元级型线设置
• 5.3 计算网格的划分
• 5.4 数值方法介绍
• 5.5 本章小结
• 第6章 数值计算结果分析与叶型调整
• 6.1 原始设计性能分析
• 6.1.1 数值计算与边界条件设定
• 6.1.2 计算结果的分析
• 6.2 改型设计及最终性能分析
• 6.2.1 改型设计方案
• 6.2.2 改型气动性能分析
• 6.3 静叶栅的匹配设计
• 6.3.1 静叶栅的造型
• 6.3.2 初始设计性能分析
• 6.4 静叶栅的改型设计
• 6.4.1 倾斜叶片
• 6.4.2 正弯叶片
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 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