船舶汽轮机叶栅气动性能优化与实验

论文摘要

船用汽轮机一般由高压汽轮机和低压汽轮机两部分组成,降低其通流部分叶栅气动损失是提高船用汽轮机性能的重要手段。为了有效提高船用汽轮机的效率,必须要针对高压汽轮机和低压汽轮机叶栅结构不同的特点,采用相应的方法改进优化高压汽轮机和低压汽轮机的叶型,降低气动损失。因此,本文通过实验和数值模拟的方法,对新型船用高压汽轮机和低压汽轮机的叶型以及如何降低气动损失进行了深入的研究。论文的主要工作可总结为以下四个部分:第一部分对某船用高压汽轮机第八级和第九级静叶片进行了改进。将两级原型为均匀加载叶型的静叶片,优化设计成小前缘小圆的后加载叶片。并进行了原型与改进型50%叶高处的平面叶栅气动性能实验。实验发现优化后的后加载叶型能缩短吸力面下游逆压梯度段的长度,减小了逆压梯度值,提高了冲角适应性;同时优化后的后加载叶型的薄出气边既提高了尾流区的基础压力,又降低了尾流区宽度。在小于临界马赫数的各种实验条件下,不同出口马赫数和冲角的实验结果表明,改进叶型的损失都低于原型。第二部分以某船用高压汽轮机的末三级为研究对象,尝试提高其效率。对于末三级的原型静叶栅和优化改进型叶栅进行了数值模拟研究,发现原型流动损失偏高的原因为内外端壁附近横向二次流比较强烈,以及静叶栅外端壁进口子午型线的突扩引起附面层流动分离。应用优化设计的后加载静叶能把气动负荷峰值进一步后移,这样既可以减小内外端壁前半流道的横向压力梯度,降低两端壁附近的横向二次流损失,又可以提高整个叶高流道内汽流的膨胀度,降低整个叶高的总压损失。同时发现,需要末三级优化改型与外端壁子午修型匹配,才能较大幅度地在多工况下降低末三级的流动损失。第三部分对某船用低压汽轮机次末级和末级的动叶片进行了改进优化研究。原型次末级动叶片是直叶片,末级叶片是扭叶片,同时叶栅外端壁有较大的扩散度。经过改进研究后,将两级动叶设计成优化后的扭叶片,又把叶型吸力面的最低压力点进一步移向下游,并在叶片两端尽可能地后加载,同时匹配以圆柱形外端壁。对于优化前后的动叶片环形叶栅进行了静态气动性能实验研究。结果表明:经过优化改进后的动叶片,削弱了叶栅两个端壁区的横向压力梯度、以及外端壁的横向二次流,降低了叶栅气动损失。第四部分以某船用低压汽轮机次末级和末级两级为研究对象,应用经过实验的新型低压汽轮机动叶叶栅,同时研究设计出与之对应的新型静叶叶栅,对原型低压汽轮机的末两级和优化改进后的低压汽轮机末两级进行了数值模拟研究与对比。通过多个方案的数值模拟研究发现:优化后的方案,二次流损失和外端壁分离流动损失降低,通过合理的动静叶匹配设计,削弱了正攻角带来的不利影响,使得改进后末两级的整体效率比原型方案明显提高。本文关于船用高压汽轮机和低压汽轮机叶栅的理论与实验研究结果,将为改善船用汽轮机性能,提高机组效率提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 船用汽轮机的结构特点
• 1.2.1 内旁通型汽轮机
• 1.2.2 外旁通型汽轮机
• 1.2.3 串-并联型汽轮机
• 1.2.4 带巡航机型汽轮机
• 1.2.5 船用汽轮机的共同特点和优化
• 1.3 国内外船用汽轮机的发展状况
• 1.3.1 国外船用汽轮机的发展状况
• 1.3.2 国内船用汽轮机的发展水平
• 1.4 国内外汽轮机叶片领域研究的新技术
• 1.4.1 叶型研究的进展情况
• 1.4.2 S2流面以及端壁造型方面研究的进展
• 1.5 本文的工作内容
• 第2章 汽轮机叶栅实验及模拟方法
• 2.1 实验探针原理及测量方法
• 2.2 数值方法
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 计算方法
• 2.2.3 湍流模型
• 2.2.4 边界条件处理
• 2.3 本章小结
• 第3 船用高压汽轮机静叶优化叶栅的实验研究
• 3.1 实验件及实验设备
• 3.1.1 实验条件及测点布置
• 3.1.2 实验叶片的制造
• 3.1.3 数据处理
• 3.2 第8级静叶优化叶栅实验研究
• 3.2.1 第8级静叶型面静压系数分布
• 3.2.2 第8级静叶总压损失系数沿节距变化
• 3.2.3 第8级静叶出口节距平均总压损失系数随冲角与马赫数的变化
• 3.3 第9级静叶优化叶栅的实验研究
• 3.3.1 第9级静叶型面静压系数分布
• 3.3.2 第9级静叶总压损失系数沿节距变化
• 3.3.3 第9级静叶出口气流角度沿节距变化
• 3.3.4 第9级静叶出口马赫数沿节距变化
• 3.3.5 第9级静叶出口节距平均总压损失系数随冲角与马赫数的变化
• 3.4 本章小结
• 第4章 船用高压汽轮机末三级原型和优化改进型叶栅的数值模拟研究
• 4.1 优化数值计算方法
• 4.1.1 工质选取
• 4.1.2 边界条件
• 4.1.3 计算网格
• 4.2 原型计算结果分析
• 4.2.1 s8原型流动与损失分析
• 4.2.2 s9原型流动与损失分析
• 4.2.3 s10原型流动与损失分析
• 4.3 优化设计计算结果分析
• 4.3.1 网格精度的选取
• 4.3.2 优化的列及部位选取
• 4.3.3 原始叶型
• 4.3.4 叶型参数化
• 4.3.5 优化参数选取
• 4.3.6 多个优化目标选取
• 4.3.7 优化循环
• 4.4 优化叶型与原型对比
• 4.5 优化前后数值模拟分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 船用低压汽轮机动叶环形叶栅实验研究
• 5.1 实验条件以及实验件设计
• 5.1.1 实验叶栅设计
• 5.1.2 叶栅流道形状
• 5.1.3 实验件加工制造
• 5.1.4 实验条件及测点布置
• 5.2 船用低压汽轮机次末级动叶原型实验研究
• 5.2.1 次末级原型出口节距平均气流角沿叶高分布随马赫数的变化
• 5.2.2 次末级原型出口节距平均气流角沿叶高分布随冲角的变化
• 5.2.3 次末级原型节距平均总压损失系数沿叶高分布随马赫数的变化
• 5.3 优化前后性能对比分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 船用低压汽轮机末两级数值模拟研究
• 6.1 优化叶型造型
• 6.2 计算方案
• 6.3 船用低压汽轮机末两级动叶原型与改型几何特点
• 6.4 两级整体优化数值模拟研究
• 6.4.1 子午面内流动分析
• 6.4.2 回转面流动特点分析
• 6.4.3 参数周向平均值沿叶高的分布
• 6.5 优化数值模拟结果分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及取得的科研成果
• 致谢