双列速度级改型设计及CLOCKING效应的数值研究

发布时间：2020-05-13 06:57

【摘要】：许多舰船的动力装置使用蒸汽涡轮机组。在这种应用背景下,机组的运行特性为多工况和变转速,由于在巡航工况其双列速度级输出的功率大约占所需总功率的70%,因此双列速度级的气动性能对机组运行的经济性起至关重要的作用。传统双列速度的气动热力设计是基于纯冲动式设计概念,级的总焓降基本由第一列喷管叶栅承担,第二列静叶栅仅起改变气流方向的作用,结果级流动效率低下。为了改变传统速度级的设计弱点,本文将级的总焓降平均分配给两列静叶栅,同时两列静叶采用相同的反动式叶型。本文借助ANSYS CFX商业软件,对该型设计的双列速度级进行了数值模拟,以考核是否达到了改型设计的目的。改型速度级的全圆周数值模拟结果表明。由于第一列喷管叶栅承担的焓降下降了近一半,因而与传统速度级的第一列喷管叶栅比较,能够大幅度降低由于高负荷造成的高流动损失。对于第二列静叶栅采用反动式叶型替代传统速度级的冲动式叶型,使得流道因收敛剧烈而加长,不仅有利于均化气流的周向分布,而且提高了第二列动叶内的做功能力,改善了整级的流动状态。在改型设计中,不仅均分了两列静叶栅承担的焓降,而且适当增高了两列动叶的反动度,因而第一列喷管叶栅的背压比级的背压高出很多,这强化了喷管组流动区气流向间壁下游非流动区的扩散能力,这明显降低了局部进气与喷管组非周期性分布引起的气流参数的非定常波动。同时,加强了气流由喷管组两侧边界向非流动区的流动,由此引起对应动叶产生与转向相同或相反的力矩,使得第二列静叶相对位置的压力分布产生与静叶的正常压力分布不同的波动。除了上述工作,本文还数值模拟了改型速度级的非定常流场,研究了两列静叶不同CLOCKING位置,对级流动特性的影响。在气动参数变化的一个周期内,CLOCKING位置不同,对应不同的尾流传输特点。沿第一/第二列静叶栅叶型压力分布的非定常波动远小于两列动叶栅,而且动叶的压力波动主要由动/静叶栅之间的相互干扰所引起。CLOCKING效应仅仅显著影响第一列动叶片的非定常流动。因为在一个周期内动叶片的气动载荷波幅较高,而且局部进气导致的流动非均匀性会加剧这一现象,故此在设计时预先考虑CLOCKING效应的作用,有可能改进第一列动叶的气动特性。数值结果证明,对于双列速度级,存在最佳CLOCKING位置,他对应两列静叶错开1/4节距,此时级内流动最平稳,效率最高。
【图文】：

分布图,周向相对位置,流动效率,透平

图 1-1 静叶周向相对位置不同时透平的流动效率max efficiency b) min图 1-2 第二排静叶栅熵时均值分布图[10]末，Cizmas[32,33]和 Dorney[34]首先在工业蒸汽栅之间的 Clocking 效应，得到与上述几乎]中第一次阐述了 Fully Clocking 的意义，这是

分布图,静叶栅,分布图,静叶

而最低总效率恰好与第一排静叶尾迹运动到第二排的静叶节距中部相对应（图1-2，b）。Eulitz[31]应用数值模拟方法，详细研究了 1.5 级透平静叶栅的 Clocking 效应，计算结果揭示，第二排静叶出口流动损失在 2%～4%范围内变化。
【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】：U674.7

【参考文献】