微型燃气轮机系统气动设计及变间隙对性能的影响

发布时间：2017-10-20 09:37

  本文关键词：微型燃气轮机系统气动设计及变间隙对性能的影响

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【摘要】：深入认识和了解微型燃气轮机的气动性能和内部流动特点对设计和开发先进的下一代燃气轮机具有重要的意义。驻车预热微型燃气轮机系统,是一种分布式能源系统的重要功能转化部件。它可在高温、极高转速、极小叶高的恶劣工作环境中,在极小流量下高效工作,承担着高效利用热能发电的任务。为了设计先进的气动性能匹配的微型离心压气机和微型向心透平,本文开展了如下几何方面的研究工作:采用一维计算和CFturbo三维叶形几何建模软件设计了无叶顶间隙的微型离心压气机和微型向心透平叶栅,通过Ansys CFX商业软件数值计算了微型离心压气机和微型向心透平流场,评估了叶栅流场的气动性能,确定了不考虑叶顶间隙时性能匹配的微型离心压气机和微型向心透平的设计方案。为了考核上述初步达标的微型离心压气机和微型向心透平的设计方案的强度和材料的安全性,以气动性能为基础通过Ansys Workbench软件平台的先进固体强度计算软件Static Structural,分别开展稳态条件下的离心压气机和向心涡轮叶片的最大变形和最大等效应力计算,评估了满足气动设计要求的叶片的强度性能,通过与许用应力的比较,证明了此叶形设计方案的安全性。在无间隙微型燃气轮机的气动性能的基础上,研究不同叶顶间隙时,泄漏流动对离心压气机和向心透平叶栅气动性能的影响。指出叶顶间隙的泄漏流动对微型离心压气机流场的非线性影响,此离心压气机流场的质量流量、输入功率和效率随着间隙的增大存在双峰值。叶顶间隙的泄漏流动对微型向心透平流场的影响的规律,为随着叶顶间隙的增大,透平的质量流量、输入功率和效率呈单调递减趋势。2%叶顶间隙离心压气机方案做为所选达标的离心压气机设计方案,为了匹配压气机性能,需要进一步提高2%叶顶间隙的向心透平气动性能。本文通过调整向心透平静叶进口气流角,控制静叶出口气流速度和气流角,从CFD三维流动的角度寻找最佳动叶的进口气流参数,进而使透平输出功率进一步增大至569.5W。至此驻车预热微型燃气轮机系统的设计方案的所有气动性能参数满足设计要求。
【关键词】：离心压气机 向心透平 气动设计 数值模拟 顶部间隙
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK472
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题背景及研究意义10-11
• 1.2 离心压气机国内外研究进展11-16
• 1.2.1 离心压气机基本工作原理11-12
• 1.2.2 离心压气机发展概况12-16
• 1.3 向心透平国内外研究进展16-19
• 1.3.1 向心透平结构及原理16-17
• 1.3.2 向心透平发展概况17-19
• 1.4 本文主要工作内容19-20
• 第2章 数值计算方法与软件20-29
• 2.1 引言20
• 2.2 计算软件CFX及数值方法介绍20-26
• 2.2.1 Turbo Grid21-22
• 2.2.2 CFX前处理22-23
• 2.2.3 CFX求解器23-24
• 2.2.4 CFX后处理24-25
• 2.2.5 湍流模型25-26
• 2.3 网格生成26-27
• 2.3.1 网格生成软件ICEM27
• 2.3.2 IGG/Auto Grid27
• 2.4 CFTURBO软件平台27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 微型离心式压气机气动设计与数值模拟29-53
• 3.1 引言29
• 3.2 离心式压气机气动设计29-35
• 3.2.1 微型离心压气机设计参数29-30
• 3.2.2 一维参数计算30-33
• 3.2.3 三维造型设计33-35
• 3.3 网格划分及边界条件35-36
• 3.4 数值计算结果分析36-47
• 3.4.1 整体性能分析36-42
• 3.4.2 叶片表面流动分析42-47
• 3.5 离心压气机叶轮固体域强度分析47-52
• 3.5.1 压气机叶轮固体域网格划分及强度计算边界条件设置48-49
• 3.5.2 主叶片固体域强度计算结果分析49-51
• 3.5.3 分流叶片固体域强度计算结果分析51-52
• 3.6 本章小结52-53
• 第4章 微型向心透平气动设计与数值模拟53-80
• 4.1 引言53
• 4.2 向心涡轮气动设计53-62
• 4.2.1 一维参数计算53-60
• 4.2.3 三维造型设计60-62
• 4.2.4 网格划分及边界条件62
• 4.3 微型向心透平的气动性能分析62-73
• 4.3.1 微型向心透平总体性能分析62-64
• 4.3.2 微型透平静叶气动性能分析64-67
• 4.3.3 微型透平动叶气动性能分析67-73
• 4.4 微型向心透平的强度性能分析73-78
• 4.4.1 静叶固体域强度分析74-76
• 4.4.2 动叶固体域强度分析76-78
• 4.5 本章小结78-80
• 第5章 考虑叶顶间隙的微型燃气轮机性能80-101
• 5.1 引言80
• 5.2 叶顶间隙对微型离心压气机气动性能的影响80-88
• 5.2.1 叶顶间隙对离心压气机动叶流域涡量场的影响80-84
• 5.2.2 叶顶间隙对离心压气机动叶流域熵增的影响84-88
• 5.3 叶顶间隙对微型向心透平气动性能的影响88-98
• 5.3.1 叶顶间隙对透平动叶流域涡量场的影响88-92
• 5.3.2 叶顶间隙对透平动叶流域熵增的影响92-97
• 5.3.3 叶顶间隙对透平整体气动性能的影响97-98
• 5.4 可调导叶对微型向心透平气动性能的影响98-100
• 5.5 本章小结100-101
• 结论101-103
• 参考文献103-108
• 致谢108

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本文编号：1066563