不同几何条件下超声速膨胀器气动特性研究

发布时间：2017-08-31 10:24

  本文关键词：不同几何条件下超声速膨胀器气动特性研究

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【摘要】：涡轮作为燃气轮机的三大核心部件之一,其性能的改善是提高燃气轮机整机性能的有效途径。提高涡轮性能除了不断提高其进口总温之外,开发新颖结构涡轮也是一种行之有效的方法。好的结构方案不仅能够为涡轮气动性能的改进和提高建立基础,还可以降低燃气轮机的整体重量,提高功重比。超声速膨胀器是融合了二元超声速喷管和轴流及向心式涡轮设计技术的一种新颖的涡轮结构,其结构上的显著特点是以隔板替代涡轮叶片,并利用传统意义S2流面沿流向的扩张来实现气流的膨胀做功。与常规涡轮相比,超声速膨胀器能够减少气流在膨胀系统中的流动损失,并具有结构简单紧凑,重量轻、成本低、维修方便等优点,在小型船舶动力、小型发电燃气轮机、涡轮泵和分布式供能用微小型燃气轮机中有着令人期待的应用前景,对其开展全面、深入的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文首先对超声速膨胀器的总体方案进行了研究,提出了一种辐条式轮盘结构的超声速膨胀器,给出了其总体结构参数,以此为基础,数值分析了超声速膨胀器的三维流场,并根据超声速膨胀器的结构特点和三维流道内部的流动特性,就几何结构对超声速膨胀器流场和性能的影响进行了数值研究,在研究中着重考虑关键几何参数、膨胀型面造型和隔板结构。三维流场数值研究结果表明,超声速膨胀器主要靠下端壁向外的扩张实现气流的减压增速,膨胀流道入口膨胀波的出现导致了压力沿节距方向的非均匀分布,进而影响三维流道内的流场：膨胀流道出口附面层分离、回流、低能流体与主流掺混、斜激波以及斜激波与附面层的相互作用是三维流道内能量损失的主要来源。3种隔板安装角和5种出进口面积比超声速膨胀器设计工况下数值研究结果表明,随隔板安装角增加,超声速膨胀器的膨胀比降低,效率有所提高；随出进口面积比增加,超声速膨胀器的膨胀比增大,效率降低；为获得综合性能较优的超声速膨胀器结构,需在较小出进口面积比和较大隔板安装角之间做折衷选择。不同膨胀型面超声速膨胀器设计工况下数值研究结果表明,膨胀型面显著影响三维流道的局部流场和性能,沿节距方向直线型膨胀型面的膨胀器速度分布在3种膨胀型面结构中最为均匀,出口平均绝对马赫数最大,膨胀比最大,说明S2流面沿流向逐步缓慢扩张有利于气流的膨胀加速。不同隔板截面形状超声速膨胀器设计工况下数值研究结果表明,矩形截面形状的超声速膨胀器近吸力面区域气流速度大,斜激波之后流动损失低,效率较高；正梯形截面形状的超声速膨胀器出口平均绝对马赫数、静压比以及膨胀比大,综合性能相对最优。论文进一步研究了间隙高度、隔板与机匣相对运动以及来流攻角对超声速膨胀器间隙流动的影响情况。结果表明,超声速膨胀器隔板顶部间隙内不存在复杂的三维流动,在压差和剪切应力作用下,隔板顶部前缘附近气流经间隙流到吸力面侧和尾缘附近泄漏流体越过间隙重新流回压力面侧是间隙内气流的主要运动形式。随间隙增加,气流最高相对马赫数降低,高速区范围逐步缩小,泄漏涡增强,尺度变大,横向和径向运动明显,泄漏损失增加,本文研究范围内,超声速膨胀器的间隙宜在0.9%～1.5%喉部高度之间选取。机匣与隔板相对静止降低了黏性剪切力的作用,但端壁的壁面效应对间隙流动却存在影响,端壁相对运动削弱了泄漏涡的横向运动,分离线向吸力面靠近,与常规涡轮不同的是,泄漏流量却是增加的,且泄漏涡增强,由此导致的流动损失上升。压力面静压几乎不随攻角变化,而吸力面静压对来流攻角则较为敏感,特别是隔板前缘,随攻角增加,吸力面静压明显降低,最终导致隔板载荷的增加;攻角对尾迹的影响不大,小攻角增加了吸力面与下端壁相接角区的损失,而大攻角会导致泄漏损失的增加。论文最后对超声速膨胀器的变工况特性进行了研究,结果表明,进口绝对总压的增加,降低了泄漏流量,泄漏涡强度减弱,尺度变小,但横向运动增强,沿流向吸力面流动损失明显降低,下端壁低能流体所导致的损失也有所下降,较小进口绝对总压将造成三维流道内的流动损失巨大。转速的上升降低了三维流道内气流的速度,节距方向速度梯度减小,下端壁附近高速区向出口迁移,上端壁附近由泄漏流体导致的低速区影响范围缩小,出口近压力面和吸力面高速区范围明显缩减,斜激波向出口迁移,同时也降低了泄漏和近壁面低能流体所导致的损失。
【关键词】：超声速膨胀器 膨胀型面 隔板截面形状 间隙高度 端壁相对运动 变工况特性
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK473
【目录】：

• 创新点摘要5-6
• 摘要6-8
• 英文摘要8-16
• 第1章 绪论16-40
• 1.1 研究背景及意义16-18
• 1.2 超声速膨胀器的概念18-22
• 1.3 单斜面膨胀喷管的研究22-25
• 1.3.1 单斜面膨胀喷管的国外研究现状22-23
• 1.3.2 单斜面膨胀喷管的国内研究现状23-25
• 1.4 涡轮叶片设计体系的发展25-33
• 1.4.1 一维经验和二维半经验设计体系26
• 1.4.2 准三维设计体系26-29
• 1.4.3 全三维设计体系29-32
• 1.4.4 时均和非定常设计体系32-33
• 1.5 涡轮内部损失及间隙流动33-36
• 1.5.1 涡轮内部损失形式33-34
• 1.5.2 涡轮间隙流动的影响因素34-36
• 1.6 弯、扭和掠技术改善涡轮叶栅气动性能36-38
• 1.7 本文主要研究内容38-40
• 第2章 数值计算方法40-60
• 2.1 引言40
• 2.2 数值方法40-52
• 2.2.1 数值模拟工具40-42
• 2.2.2 控制方程42-44
• 2.2.3 差分格式44-45
• 2.2.4 湍流模型45-49
• 2.2.5 网格划分49-50
• 2.2.6 边界条件50-52
• 2.3 数值方法校核52-58
• 2.3.1 超声速进气道52-54
• 2.3.2 跨声速涡轮54-57
• 2.3.3 网格精度对计算结果的影响57-58
• 2.4 本章小结58-60
• 第3章 几何结构对超声速膨胀器流场及性能的影响60-100
• 3.1 引言60
• 3.2 超声速膨胀器结构设计60-71
• 3.2.1 总体结构60-61
• 3.2.2 气流流道设计方案61-62
• 3.2.3 喉部稳定段62-64
• 3.2.4 超声速膨胀段64-66
• 3.2.5 内部流动理论66-69
• 3.2.6 数据处理69-70
• 3.2.7 几何参数范围70-71
• 3.3 超声速膨胀器内部流动特性71-78
• 3.3.1 计算模型71
• 3.3.2 三维流道内部流动特性71-76
• 3.3.3 出口气动参数沿径向分布76-78
• 3.4 关键几何参数对超声速膨胀器流场的影响78-84
• 3.4.1 计算模型78-79
• 3.4.2 相对马赫数等值线79-80
• 3.4.3 出口流场分布80-82
• 3.4.4 出口气动参数及性能82-84
• 3.5 膨胀型面造型方式对超声速膨胀器流场及性能的影响84-91
• 3.5.1 计算模型84-85
• 3.5.2 S1流面的流动特性85-87
• 3.5.3 壁面极限流线和熵分布87-89
• 3.5.4 非设计工况下特性曲线89-91
• 3.6 隔板截面造型对超声速膨胀器流场及性能的影响91-98
• 3.6.1 计算模型91-92
• 3.6.2 隔板截面造型对相对马赫数等值线的影响92-94
• 3.6.3 隔板截面造型对熵和流线分布的影响94-96
• 3.6.4 隔板截面造型对出口气动参数的影响96-98
• 3.7 本章小结98-100
• 第4章 超声速膨胀器间隙流动机理及影响因素100-130
• 4.1 引言100
• 4.2 超声速膨胀器间隙流动形成机理100-104
• 4.2.1 间隙泄漏流动结构100-101
• 4.2.2 间隙泄漏损失分布101-104
• 4.3 间隙高度对超声速膨胀器流动特性的影响104-114
• 4.3.1 间隙高度对相对马赫数等值线的影响104-106
• 4.3.2 间隙高度对熵、静压与流线的影响106-109
• 4.3.3 间隙高度对隔板载荷的影响109-112
• 4.3.4 出口气动参数和膨胀器性能112-114
• 4.4 机匣与隔板相对运动对间隙流动的影响114-122
• 4.4.1 间隙内熵和流线分布114-117
• 4.4.2 流道内流动特性117-119
• 4.4.3 出口流场与气动参数119-122
• 4.5 来流攻角对超声速膨胀器气动性能的影响122-128
• 4.5.1 来流攻角对流动结构的影响122-124
• 4.5.2 来流攻角对负荷及出口气动参数的影响124-126
• 4.5.3 来流攻角对膨胀器总体性能的影响126-128
• 4.6 本章小结128-130
• 第5章 超声速膨胀器变工况特性研究130-144
• 5.1 引言130
• 5.2 进口绝对总压对超声速膨胀器流动特性的影响130-135
• 5.2.1 相对马赫数130-133
• 5.2.2 间隙流动特性133-134
• 5.2.3 出口气动参数134-135
• 5.3 转速对超声速膨胀器流动特性的影响135-139
• 5.3.1 相对马赫数135-138
• 5.3.2 间隙流动特性138
• 5.3.3 出口气动参数138-139
• 5.4 超声速膨胀器特性曲线139-142
• 5.5 本章小结142-144
• 结论144-147
• 参考文献147-163
• 攻读学位期间公开发表论文163-164
• 致谢164-165
• 作者简介165

【参考文献】

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