涡轮后加载叶型设计研究

论文摘要

本文在某船用四级动力涡轮具有中部加载特性的第一级静叶基础上对其进行了初步的后加载改型设计探索,并对可能影响后加载叶片性能的因素作了一定的研究。在总结后加载改型设计规律基础上,对第一级静叶进行了后加载改型设计,得到了一种具有更优良性能的后加载叶型,充分证明了得到的改型设计规律是切实可行的。本文一开始对四级涡轮的第一级静叶进行了参数化拟合,用多点Bezier曲线控制叶型的中弧线和内背弧。在此基础上,分别对叶型的中弧线、叶片厚度、以及可能影响后加载叶型流动效率的叶片前缘半径和弯曲积叠规律进行了初步研究。数值模拟计算结果表明：纯粹的改变叶片厚度不能对叶型的载荷特性产生影响,但是对叶栅通流能力影响显著。中弧线的改变能对叶型的载荷分布造成重要的影响,但同时也会造成静叶栅出气角的变化。结合对叶型中弧线和厚度控制的优点,则能设计出一种既保证流量和上下级匹配又符合设计要求的具有先进后加载特性的叶片。对可能影响后加载叶栅性能的前缘半径和弯曲角度的研究表明,前缘半径的改变仅对叶片前15%轴向弦长的载荷有一定的影响。当前缘半径大于来流附面层厚度时,叶栅损失随前缘半径的增大而增大,一旦当前缘半径小于来流附面层厚度,则前缘半径的大小不再对叶栅损失产生影响。叶型端部的正弯曲只对叶型端部的载荷分布产生影响,尤其是根部的吸力面,对叶型中部非弯曲部分没有任何影响。叶栅正弯曲对涡轮级的总效果是使损失增大,而且这种趋势随着弯曲角度的增大而增强。根据后加载叶型设计规律,同时考虑影响后加载叶栅性能的因素,对四级涡轮第一级静叶进行了后加载改型设计,三维流场计算表明,新设计的后部加载叶型不仅推迟了转捩的发生,降低了型线损失,而且削弱了三维通道的二次流损失,从而较大幅度地降低了三维总损失。在原叶型非常高的级效率基础上,新设计的后加载静叶叶型使得涡轮级效率提高了0.62个百分点,充分证明了所研究的后加载叶型改型设计规律是正确和可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 叶轮机械内部流动损失
• 1.1.1 叶型损失
• 1.1.2 二次流损失
• 1.1.3 叶顶漏气损失
• 1.2 后加载叶型研究
• 1.2.1 提高叶型涡轮效率的措施
• 1.2.2 后加载叶型研究进展
• 1.2.3 后加载和前、中部加载的异同
• 1.3 后加载涡轮叶型设计研究
• 1.3.1 涡轮叶型设计发展历程
• 1.3.2 涡轮叶型设计方法研究
• 1.3.3 后加载叶型设计研究
• 1.4 本文的主要研究内容和目的
• 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 控制方程
• 2.3.2 湍流模型
• 2.3.3 计算网格
• 2.3.4 边界条件
• 2.3.5 求解器
• 2.3.6 数据处理公式的定义
• 2.4 本章小结
• 第3章 后加载叶型改型设计方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 几何模型
• 3.3 叶型参数化
• 3.4 叶型厚度的影响
• 3.4.1 修改方案
• 3.4.2 载荷分布
• 3.4.3 总压损失系数及静叶出气角分布
• 3.5 叶型厚度的影响
• 3.5.1 修改方案
• 3.5.2 载荷分布
• 3.5.3 极限流线
• 3.5.4 总压损失系数及静叶出气角分布
• 3.6 叶型中弧线和厚度共同作用的影响
• 3.6.1 修改方案
• 3.6.2 载荷分布
• 3.6.3 极限流线分布
• 3.6.4 总压损失系数及静叶出气角分布
• 3.7 叶片前缘半径的影响
• 3.7.1 修改方案
• 3.7.2 载荷分布
• 3.7.3 极限流线
• 3.7.4 总压损失系数及静叶出气角分布
• 3.8 叶片前缘半径的影响
• 3.8.1 修改方案
• 3.8.2 载荷分布
• 3.8.3 极限流线
• 3.8.4 总压损失系数及静叶出气角分布
• 3.9 本章小结
• 第4章 后加载涡轮叶片三维流场研究
• 4.1 引言
• 4.2 叶型的修改方案及计算结果
• 4.3 叶片表面静压分布
• 4.4 端壁表面静压等值线分布
• 4.5 极限流线
• 4.6 节距平均总压损失系数及静压沿叶高分布
• 4.7 总压损失系数等值线分布沿轴向的发展
• 4.8 节距平均出口气流角和反动度沿径向的分布
• 4.9 结论
• 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
• 个人简历