非轴对称静叶对畸变条件下压气机流场影响研究
发布时间：2020-07-10 10:15
【摘要】：近年来,随着全球范围内的能源与动力需求以及环境保护等要求的变化,燃气轮机得到了电力、动力等有关部门的高度重视,美、欧、日等国先后制定了先进燃气轮机技术研究发展计划。高性能燃气轮机对压缩系统提出了高负荷、高效率、高稳定裕度的急切需求。而高负荷必然使压气机端壁和叶片吸力面的附面层承受更大的逆压梯度,对保证其气动稳定性带来很大难度。并且在实际应用中,压气机几乎无一例外都工作在非均匀进气条件下。进气畸变改变了压气机原有的设计工况,破坏了气流的轴对称流动,轻则造成压气机稳定裕度下降、性能恶化,重则引起压气机失速和喘振,严重影响整机的正常工作。由此可见,提高压气机稳定性和抗畸变能力对于保证动力系统的稳定运行具有重大的实际意义。本文以大连海事大学船用小型燃气轮机技术重点实验室单级跨声速轴流压气机为研究对象,采用全周三维非定常数值模拟方法,在数值结果得到校核的基础上,探索了均匀/畸变进口条件下压气机失速机理,并研究了不同非轴对称静叶方案对畸变条件下压气机流场的影响。首先通过对比原型压气机级与单转子的流动特性发现级失速提前与静叶内流动存在密切关联,压气机级与单转子的失速先兆均为“尖脉冲”型。通过研究不同畸变度对压气机进出口流场的影响,系统地给出了进口总压畸变在压气机中的传递情况。进口周向总压畸变会导致压气机性能的严重下降,且畸变度越大,下降越明显;进气畸变对动静叶流场均产生较大影响,在动叶流场中表现为激波前后移动幅度增加、叶尖泄漏流增强,在静叶流场中表现为上角区大范围流动分离,进气畸变使得压气机内部流场呈现明显的非轴对称性。进气畸变并没有改变压气机失速先兆的类型。然后,对原型压气机静叶开展弯扭造型,并采用定常数值模拟方法分析了弯扭静叶对压气机的影响,结果表明,弯扭静叶吸力面附面层抵抗逆压梯度的能力更强,且叶型损失更低。在此基础上构造了由5个弯扭静叶和41个原型静叶组成的非轴对称弯扭静叶,非定常数值模拟结果表明非轴对称弯扭静叶能有效提高压气机的抗畸变能力和流动稳定性。在畸变度DA=0.05条件下,非轴对称弯扭静叶使得压气机的稳定裕度相对提高11.63%;在畸变度DA=0.1条件下,非轴对称弯扭静叶使得压气机稳定裕度相对提高16.7%。非轴对称弯扭静叶通过抑制静叶上角区流动分离改善畸变区内通流能力,进而降低动叶气动负荷,抑制激波的前后移动幅度以及叶尖泄漏流,但弯扭静叶改善上角区流动状态的同时也导致了下角区的流动分离,动叶32%叶高以下流动损失也随之增加,与弯扭静叶相邻的9个原型静叶下角区出现大范围分离。对静叶稠度储备20%开展单流道定常数值模拟研究,静叶稠度储备20%并不影响压气机的堵塞流量,稳定裕度略微提升,静叶稠度储备20%可以推迟静叶角区失速的发生,从而减小气动损失,但是对动叶激波的迁移影响不大。静叶畸变区内采用稠度储备20%的方式构成的非轴对称稠度储备静叶并对其流场进行求解。非轴对称稠度储备静叶可以提高畸变条件下压气机的稳定裕度,在畸变度DA=0.05条件下,非轴对称弯扭静叶使得压气机的稳定裕度相对提高10.07%;在畸变度DA=0.1条件下,非轴对称弯扭静叶使得压气机稳定裕度相对提高18.83%。非轴对称稠度储备静叶可以推迟畸变区静叶角区分离的产生,进而减弱动叶激波移动幅度和叶尖泄漏流。但是非轴对称稠度储备静叶对压气机性能的改善效果稍弱于非轴对称弯扭静叶,然而非轴对称稠度储备静叶不会造成静叶其他区域流场恶化。最后,在前两型非轴对称静叶的基础上构造了非轴对称组合静叶方案并对流场进行求解。结果显示,非轴对称组合静叶能有效提高压气机的抗畸变能力和流动稳定性,在畸变度DA=0.05条件下,非轴对称弯扭静叶使得压气机的稳定裕度相对提高22.30%;在畸变度DA=0.1条件下,非轴对称弯扭静叶使得压气机稳定裕度相对提高24.87%。非轴对称组合静叶则综合了先前两种非轴对称静叶的优点,改善静叶角区流动分离的同时提高动叶流道内的流动稳定性。另外,通过对比不同转速下非轴对称组合静叶对压气机性能的影响可以发现,非轴对称组合静叶在低转速下抗畸变能力更强,在80%设计转速下相对于原型压气机稳定裕度提高了51.74%。
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U664.1
【图文】：
LN12500持续改进型功率的趋势l5]
尽管舰船用燃气轮机研制起步较晚，但由于航空技术发展很快，航改燃气轮逡逑机得到船舶工业的高度重视和大力发展［４］。目前，舰船使用燃气轮机的比例达到逡逑７５％，效率己超过了邋４０％，单机功率超过了邋４０ＭＷ。图１．２与图１．３为美国典型的逡逑航改舰船燃气轮机ＬＭ２５００近４０年持续改进型的发展趋势［５］。逡逑３４．３ＭＶＶ逡逑３１．３ＭＷ逦４１％逡逑２＿ｗ邋桃逦Ｉ—■逡逑如２３．２ＭＷ逦逦—逦ｐ｜＊ｇ逡逑２２ＭＷ逦３７．６％逦？邋Ｗ逦功邋Ｗ、’逡逑２０邋５ＭＷ逦３７．０％逦逦邋６邋台逦＇■■■逡逑１７．９ＭＷ逦３６邋９％逦逦邋？＞ｍｍ：逦ＬＭ２册逡逑３５．８％逦？次用：ｆ逡逑＿＿＾如魏逦？挪《0邋？桃逡逑侧逦一逦＇．＇ａ邋丨，．．．．逡逑：＇，ｆ邋口逦＾逦娜咖，逡逑＊逦？献RG健逦侧逡逑＃？0＜ｘｘ＊ｘｉ逦ｍｍ＾＼Ｇ）逦？们．御＾逡逑￥k槪浚垮呜海妫皱迨卞危殄义希模模ィ冲危垮澹桑粒保玻担埃埃у澹蝈危迹唬义希保梗罚板危保梗罚靛危保梗福板危保梗福靛危保梗梗板危保梗梗靛澹玻埃眩彦澹玻埃埃靛危玻埃保板迥赍义
本文编号：2748781
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U664.1
【图文】：
LN12500持续改进型功率的趋势l5]
尽管舰船用燃气轮机研制起步较晚，但由于航空技术发展很快，航改燃气轮逡逑机得到船舶工业的高度重视和大力发展［４］。目前，舰船使用燃气轮机的比例达到逡逑７５％，效率己超过了邋４０％，单机功率超过了邋４０ＭＷ。图１．２与图１．３为美国典型的逡逑航改舰船燃气轮机ＬＭ２５００近４０年持续改进型的发展趋势［５］。逡逑３４．３ＭＶＶ逡逑３１．３ＭＷ逦４１％逡逑２＿ｗ邋桃逦Ｉ—■逡逑如２３．２ＭＷ逦逦—逦ｐ｜＊ｇ逡逑２２ＭＷ逦３７．６％逦？邋Ｗ逦功邋Ｗ、’逡逑２０邋５ＭＷ逦３７．０％逦逦邋６邋台逦＇■■■逡逑１７．９ＭＷ逦３６邋９％逦逦邋？＞ｍｍ：逦ＬＭ２册逡逑３５．８％逦？次用：ｆ逡逑＿＿＾如魏逦？挪《0邋？桃逡逑侧逦一逦＇．＇ａ邋丨，．．．．逡逑：＇，ｆ邋口逦＾逦娜咖，逡逑＊逦？献RG健逦侧逡逑＃？0＜ｘｘ＊ｘｉ逦ｍｍ＾＼Ｇ）逦？们．御＾逡逑￥k槪浚垮呜海妫皱迨卞危殄义希模模ィ冲危垮澹桑粒保玻担埃埃у澹蝈危迹唬义希保梗罚板危保梗罚靛危保梗福板危保梗福靛危保梗梗板危保梗梗靛澹玻埃眩彦澹玻埃埃靛危玻埃保板迥赍义
本文编号：2748781
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