多级向心透平气动设计及间隙泄漏对性能的影响

发布时间：2020-07-17 21:29

【摘要】：随着技术的发展,更小单机质量、更高性能的向心透平成为国内外设计者追求的目标。由于向心透平内部流动结构非常复杂,要想设计出高性能的向心透平,就必须对其内部流场进行深入研究。同时,为了降低单机质量,缩减透平级数、增大向心透平单级膨胀比成为设计者们关注的重点问题之一。本文以四级向心透平为原型,为了减小轴向尺寸,降低向心透平整体质量,将级数减少一级,在保证功率和效率的前提下,完成了三级向心透平的气动设计。级数减少后,向心透平单级膨胀比增大,常规静叶无法满足设计要求,所以在第一级采用缩放喷管来获得超音速气流。以一维预期结果为依据,通过数值计算评估了向心透平的三维气动性能,结果显示,缩放喷管出口马赫数接近一维预期值,所设计的向心透平轴端功率达到589k W,相对内效率达到63%以上,基本满足设计要求,验证了设计方法的合理性。本文通过数值模拟的手段,研究了不同顶部间隙产生的泄漏流对向心透平的影响规律。计算结果显示,叶顶间隙的存在使流体从叶片压力侧泄漏向吸力侧,并在吸力侧产生泄漏涡,对流动造成影响,使距离顶部10%叶高范围内的气流出现偏转不足的现象,并且随着顶部间隙增大而表现的更加强烈。同时,顶部间隙高度增加时,泄漏流量逐渐增加,导致叶片负荷降低,尤其是对叶展中部以上范围内的叶片负荷影响较大。从损失的角度来看,叶顶间隙存在时,50%叶高以上范围内的总压损失系数有所增加,且由于泄漏流与主流的相互掺混,流动损失增大。此外,研究还发现,对向心透平而言,径向间隙对性能的影响程度大于轴向间隙的影响程度。在保证安全的前提下,设置了变高度分布的顶部间隙,结果指出,变高度分布的顶部间隙有助于降低泄漏损失。通过对齿形汽封内部流场的数值模拟,分析了汽封腔室内的涡系结构,并且研究了泄漏流量及摩擦损失随着转速的变化规律。计算结果表明,气流在汽封结构内流动是由若干个节流过程组成的,压力呈现阶梯式下降的趋势,而速度则逐渐升高。各个汽封腔室内产生的旋涡结构,对气流产生了耗散作用,有助于阻止泄漏。随着向心透平转速的增加,间隙泄漏流量增大,在一定范围内,当转速从5000r/min增加到15000r/min时,泄漏流量增加了80kg/h,总体来看,增加幅度较小。而摩擦损失随着转速增加呈现出近乎线性增大的趋势。
【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】：2018
【分类号】：TK14
【图文】：

向心透平,基本结构

第 1 章绪论及研究意义功率、高速性、经济性等优势而被广泛应用于国民电、航海、航空航天、地面动力系统等。按照工质种：轴流式透平和向心式透平。由于结构上的特损失做功。因此，向心透平具有单级做功能力大及结构紧凑[1]，如今，在很多小功率、小空间场合中的结构比较简单，如图 1.1 所示，主要由涡轮静子叶和无叶两种形式，其部件包括蜗壳和喷嘴环，一蒸汽进入动叶时的速度大小和方向[2]。高温高压的进入进气管，在静叶栅或者无叶导向装置中膨胀后的气流进入高速旋转的动叶流道内继续膨胀做基本特点进行了对比。

示意图,流面,向心透平,示意图

上世纪 50 年代之前，由于对流体力学的认知水平和电子计算机运算能力制，向心透平的设计方法基本是基于经验的一维设计理论。随着三元流动理论展和电子计算机的不断进步，向心透平设计理论也得到显著发展，逐渐衍变成、三维设计方法，但合理的一维设计仍是高效向心透平设计的重要基础。上世纪 60 年代，NASA 刘易斯实验室开展了一系列工作，研究了向心透平设影响因素，例如叶顶间隙尺寸、叶片载荷及比转速等参数对向心透平的影响规H. E. Rohlik 等人[11]通过一维理论分析并结合经验公式给出向心透平中的损失，并且研究了向心透平各几何尺寸对比转速变化的影响，包括叶轮进、出口半及静叶出口半径与叶轮入口半径之比等几何参数。A. J. Glassman 等人[12]设计了一套 FORTRAN 程序，设计者输入进口温度、压流量以及做功等参数，通过改变叶轮进出口半径比、导叶出口气流角等几何参程序会输出不同的向心透平效率，可以快速选择最优方案。T.Sawada 等人[13]了一维计算程序，将静叶和动叶内的损失分别用静叶速度系数和动叶速度系示，然后应用连续性方程和角动量守恒方程计算向心透平的参数。他们将计算与试验结果进行对照，发现吻合良好。

示意图,流面,示意图,向心透平

【参考文献】