涡轮三维设计及性能优化
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摘要
涡轮是燃气轮机的主要部件,其功用是将来自燃烧室的高温、高压燃气中的部分热能和压力能转换成机械功。船舶燃气轮机的特点为功率大、燃气温度高、转速高、效率高,同时对尺寸、重量有严格的要求。而对涡轮气动设计理论与设计方法的研究,以及对涡轮的数值模拟和性能优化一直是国内外叶轮机械气动热力学领域关注的重点。
本文以给定涡轮设计要求为依据,对某型船舶燃气轮机动力涡轮第一级进行叶型设计,分别采用等环量以及等α_1扭曲规律对涡轮进行了三维气动设计,根据所得参数,运用参数化法生成叶型。应用商业软件NUMECA,对所生成的叶型进行了数值模拟,比较了两种扭曲规律的不同以及优劣,并将数值模拟结果与设计值进行对比,以验证数值模拟的正确性。着重对等环量叶片进行了分析,包括S_1、S_2流面分析、叶栅通道中涡系的研究、二维非定常流场特性的分析。
分析了设计叶型的不足以及叶片载荷分布对气动性能的影响,通过对比压力分布,及其对总压损失系数、绝热效率的影响,确定改进方案;根据二次流损失机理,尝试对静叶、动叶采用不同弯角的弯叶片,通过数值模拟得出结论:叶片的弯曲可以控制径向压力梯度,并能够改变级的反动度沿叶片高度的分布,有效改善叶栅流场;并对静叶、动叶分别采用不同弯曲角度的多种组合模型方案进行数值模拟,提出静叶、动叶在采用弯曲叶片后由于气流角、马赫数等参数变化而引起的匹配问题,得出在采用匹配合理的静叶、动叶后,可有效提高效率;最后,对涡轮叶片采用了不同的轴向间距,并分析其对气动性能的影响。经过对叶片载荷分布、叶片弯曲、轴向间距三个方面的分析以及改进,涡轮绝热效率提高了1.84%,表明本文对涡轮的性能优化以及改进方案是降低损失、提高效率的有效手段。
Turbine is a main component of a gas turbine engine, by which part of the thermal energy in the high-temperature and high-pressure gas from the combustion chamber, can be converted to the mechanical kinetic energy. A marine gas turbine is characterized with high power, high temperature, high rotating speed and high efficiency ,as well as size and weight restricted by strict rules. For these years, scholars in aerodynamics field have attached great importance on the theories and methodologies of turbine design as well as numerical simulation and performance optimization.
Following the prescribed instruction of a turbine design, in this thesis, a blade shape is created for the first stair of the certain marine gas turbine. On the basis of constant circulation and iso-α_1 twisted laws, the blade shape is made by a three-dimensional aerodynamic design, and produced by parameterization. Applying NUMECA, a commercial software, the produced blade shape is simulated, the differences of two twist laws are explored, and the validity is testified by making a comparison between the outcome and the theoretical value. Then a series of analyses on constant circulated blade are conducted, which include analyses of the S_1 stream surface and the S_2 stream surface, discussions of the vortices in the cascades, analyses of the features in two-dimensional unsteady flow field, etc.
After that, it is found that the defects of the designed blade shape exist, and the influences of load distribution on the aerodynamic performance. Then some improvements can be managed after considering the profile pressure distribution, as well as the total pressure loss coefficient and adiabatic efficiency which is influenced by the profile pressure distribution. According to the secondary flows loss theory, several trials are conducted on stator blade and rotor blade by different curve angles, and the conclusion can be draw after numerical simulation: the curved blade can control the radial pressure gradient, change the distribution of the reactionary degrees over the blade height and promote the flow field in cascade. This is followed by various compound models with different curve angles on stator blade and rotor blade, and consequently a matching question about caused by several parameters such as flow angle, Mach number is discussed, which can be solved by deploying proper ones. Finally, different blade axial intervals between the stator and the rotor are tried to observe the influences on aerodynamic performance.
After the speculation and promotion, turbine's adiabatic efficiency is raised by 1.84%, which proves the effectiveness of the optimizing and improving approaches of this project in decreasing loss and lifting efficiency.
本文以给定涡轮设计要求为依据,对某型船舶燃气轮机动力涡轮第一级进行叶型设计,分别采用等环量以及等α_1扭曲规律对涡轮进行了三维气动设计,根据所得参数,运用参数化法生成叶型。应用商业软件NUMECA,对所生成的叶型进行了数值模拟,比较了两种扭曲规律的不同以及优劣,并将数值模拟结果与设计值进行对比,以验证数值模拟的正确性。着重对等环量叶片进行了分析,包括S_1、S_2流面分析、叶栅通道中涡系的研究、二维非定常流场特性的分析。
分析了设计叶型的不足以及叶片载荷分布对气动性能的影响,通过对比压力分布,及其对总压损失系数、绝热效率的影响,确定改进方案;根据二次流损失机理,尝试对静叶、动叶采用不同弯角的弯叶片,通过数值模拟得出结论:叶片的弯曲可以控制径向压力梯度,并能够改变级的反动度沿叶片高度的分布,有效改善叶栅流场;并对静叶、动叶分别采用不同弯曲角度的多种组合模型方案进行数值模拟,提出静叶、动叶在采用弯曲叶片后由于气流角、马赫数等参数变化而引起的匹配问题,得出在采用匹配合理的静叶、动叶后,可有效提高效率;最后,对涡轮叶片采用了不同的轴向间距,并分析其对气动性能的影响。经过对叶片载荷分布、叶片弯曲、轴向间距三个方面的分析以及改进,涡轮绝热效率提高了1.84%,表明本文对涡轮的性能优化以及改进方案是降低损失、提高效率的有效手段。
Turbine is a main component of a gas turbine engine, by which part of the thermal energy in the high-temperature and high-pressure gas from the combustion chamber, can be converted to the mechanical kinetic energy. A marine gas turbine is characterized with high power, high temperature, high rotating speed and high efficiency ,as well as size and weight restricted by strict rules. For these years, scholars in aerodynamics field have attached great importance on the theories and methodologies of turbine design as well as numerical simulation and performance optimization.
Following the prescribed instruction of a turbine design, in this thesis, a blade shape is created for the first stair of the certain marine gas turbine. On the basis of constant circulation and iso-α_1 twisted laws, the blade shape is made by a three-dimensional aerodynamic design, and produced by parameterization. Applying NUMECA, a commercial software, the produced blade shape is simulated, the differences of two twist laws are explored, and the validity is testified by making a comparison between the outcome and the theoretical value. Then a series of analyses on constant circulated blade are conducted, which include analyses of the S_1 stream surface and the S_2 stream surface, discussions of the vortices in the cascades, analyses of the features in two-dimensional unsteady flow field, etc.
After that, it is found that the defects of the designed blade shape exist, and the influences of load distribution on the aerodynamic performance. Then some improvements can be managed after considering the profile pressure distribution, as well as the total pressure loss coefficient and adiabatic efficiency which is influenced by the profile pressure distribution. According to the secondary flows loss theory, several trials are conducted on stator blade and rotor blade by different curve angles, and the conclusion can be draw after numerical simulation: the curved blade can control the radial pressure gradient, change the distribution of the reactionary degrees over the blade height and promote the flow field in cascade. This is followed by various compound models with different curve angles on stator blade and rotor blade, and consequently a matching question about caused by several parameters such as flow angle, Mach number is discussed, which can be solved by deploying proper ones. Finally, different blade axial intervals between the stator and the rotor are tried to observe the influences on aerodynamic performance.
After the speculation and promotion, turbine's adiabatic efficiency is raised by 1.84%, which proves the effectiveness of the optimizing and improving approaches of this project in decreasing loss and lifting efficiency.
引文
[1]牛利民.船舶燃气轮机结构.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2002年:1-2页,91-92页
[2]吉佳明.航空燃气涡轮叶片的造型.北京:国防工业出版社,1980年:1-2页
[3]C.H.Wu,Wolfenstein L.Application of Radial-Equation Condition to Axial-Flow Compressor and Turbine Design.NACA Report-955,1950
[4]C.H.Wu.A General Theory of Three-Dimensional Flow in Subsonic and Supersonic in Radial,Axial and Mixed Flow Types.NACA TN-2604,1952
[5]Marchal R,Sieverding C R.Secondary flows within turbomachinerybladings.Secondary Flows in Turbomachines.AGARD-CP-214,1977
[6]徐星仲,朱斌,蒋洪德,俞镔,谭春青,张伟.一种“后部加载”型透平静叶的设计.工程热物理学报.第18卷第1期:48-52页
[7]周逊.具有后部加载叶型的涡轮叶栅气动性能的实验研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.2004年:45-66页
[8]陶正良,王国清,陈康民.海豚形叶片气动性能高于传统叶片的机理分析.上海理工大学学报.1999年,21(4):403-406页
[9]王仲奇,郑严.叶轮机械弯扭叶片的研究现状及发展趋势.中国工程科学.第2卷第6期:40-48页
[10]宋彦萍.弯扭叶片的主要研究成果及其应用.热能动力工程 1999年,第14卷第3期:159-163页
[11]赵兴艳,苏莫明.CFD方法在流体机械设计中的应用.流体机械,2000年,20(3):22-25页
[12]Harten A.High resolution scheme for hyperbolic system of conservation law.J Comp Phys.1983,(49):357-393P
[13]Sweby P K.High resolution schemes using flux limiters for hyperbolic conservation laws.SIAM Hum Anal.1984,(21):995-1011P
[14]Yee H C.Construction of explicit and implicit symmetric TVD scheme and their applications.J Comp Phys.1987,(68):151-179P
[15]Steger J L,Warming R F.Flux vector splitting of the inviscid gasdynamic equations with application to finite difference methods.J Comp Phys.1981,(40):263-293P
[16]Chakravarthy S R.The split-coefficient matrix method for hyperbolic system of gas dynamics equations.AIAA Paper.1980:80-268P
[17]Roe P L.Approximate Riemann solvers,parameter vectors and different schemes.J Comp Phys.1981,(43):357-372P
[18]Van Leer B.Towards the ultimate conservative difference scheme V:A second order sequal to Godunov's method.J Comp Phys.1979,(32):101-136P
[19]Jameson A,Schmidt W,Turkel E.Numerical solution of the Euler equation by finite volume methods with Runge-Kutta time stepping schemes.AIAA Paper.1981:81-125P
[20]Ni R H.A Multiple grid scheme for solving the Euler equation.J AIAA.1982,(20):1565-1571P
[21]Van Leer B,Tai C H,Powell K G.Design of optimally smoothing multistage schemes for the Euler equations.AIAA Paper.1989:89-1933P
[22]Fine user manual.Version Fine 7.1.2006
[23]Autogrid user manual.Autogrid Version 5.3.2006
[24]Design3D user manual.Design3D Version 2.6.2006
[25]Autoblade user manual.Autoblade Version 2.6.2006
[26][苏]С.З.柯别列夫,Н.吉洪诺夫.航空发动机涡轮计算(气动计算及叶片造型).北京:国防工业出版社,1978年:4-13页
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[28]彭泽琰,刘刚.航空燃气轮机原理.北京:国防工业出版社,2000年:132-134页
[29]王新月,杨清真.热力学与气体动力学基础.西安:西北工业大学出版社,2004年:100-112页
[30]王仲奇.透平机械三元流动计算及其数学和气动力学基础.北京:机械工业出版社,1983年.1-85页
[31]王仲奇,苏杰先,钟兢军.弯扭叶片栅内减少能量损失机理研究的新进展.工程热物理学报,第15卷第2期:147-152页
[32]谭智勇,林枫,黄全军.涡轮级叶栅三维湍流流动的数值模拟.热能动力工程,第20卷第3期:324-326页
[33]黄玉娟,李晓东,陈江.湍流模型对涡轮数值模拟结果的影响.工程热物理学报,第28卷增刊1:97-100页
[34]刘顺隆,冯永明.一个典型舰船动力涡轮三维粘性流动的数值分析.哈尔滨工程大学学报,第24卷第6期:617-621页
[35]钟兢军.弯曲叶片控制扩压叶栅二次流动的实验研究.哈尔滨工业大学博士论文.1995:1-20页
[36]王仲奇,冯国泰,王松涛,陈乃兴.透平叶片中的二次流旋涡结构的研究.工程热物理学报,第23卷第5期:553-556页
[37]姚征.多级叶轮机三维流动计算的级间混合方法分析.工程热物理学报.第17卷第4期:417-422页
[38]魏东海,邹正平,叶建,严明,陆利蓬.二维涡轮叶栅流场的直接数值模拟航空动力学报.第20卷第4期:549-555页
[39]安柏涛,王松涛,韩万金,王仲奇.涡轮导向器几何与气动参数对通道涡影响的实验与数值研究.航空学报,第25卷第4期:348-351页
[40]安柏涛,王松涛,韩万金,王仲奇.涡轮低压导向器优化前后气动性能对比实验研究.航空动力学报,第19卷第1期:101-107页
[41]顾忠华,冯国泰,王松涛,王仲奇.涡轮动叶采用弯叶片的数值模拟及流场结构分析.工程热物理学报,第22卷第5期:572-574页
[42]赵万生,詹涵菁,王刚.涡轮弯扭叶片的几何造型.湖南大学学报,第27卷第5期:33-38页
[43]黄洪雁,袁宁,王仲奇,冯国泰.不同积叠线形式对涡轮性能的影响.工程热物理学报,第21卷第3期:306-309页
[44]陈绍文,陈浮,王可立,谷君,王仲奇.采用弯叶片的不同折转角压气机叶栅流场气动性能.推进技术,第28卷第2期:170-175页
[45]黄典贵,王异成,李久华,刘卫宁,寇磊.子午流道形状对透平级三维流动性能影响研究.机械工程学报,第37卷第7期:71-73页
[46]R.J.Howell,O.N.Ramesh,H.P.Hodson,etc.High Lift and Aft-Loaded Profiles for Low-Pressure Turbines.ASME Journal of Turbomachinery 2001,(123):181-188P
[47]PGonzalez,1.Ulizar,R.Vazquez,H.P.Hodson.Pressure and Suction Surfaces Redesign for High-Lift Low-Pressure Turbines.ASME Journal of Turbomachinery.2002,(124):161-166P
[48]吕智强,韩万金.“后部加载”叶型气动性能的研究.汽轮机技术.第43卷第4期:234-235页
[49]周逊,韩万金,吕智强.后部加载叶型直叶片和弯叶片叶栅中能量损失变化的实验研究.航空动力学报.第19卷第1期:118-125页
[50]周逊,韩万金.后加载叶型叶栅的三维压力场及其对损失发展的影响.推进技术,第24卷第6期:537-542页
[51]周鸿儒,冯国泰.弯扭叶片的设计思想、设计准则及其在汽轮机中的应用.汽轮机技术.第43卷第6期:328-330页
[52]苏杰先,王仲奇.叶片的弯扭联合气动成型理论、实验、设计及其应用.动力工程.第12卷第6期:1-6页
[53]安柏涛,韩万金,王松涛,王仲奇.大扩张角子牛流道型线对损失的影响.推进技术.第22卷第3期:212-214页
[54]安柏涛,韩万金,王松涛,王仲奇.几何参数对涡轮低压导向器变工况性能的影响.航空动力学报.第19卷第1期:94-100页
[55]安柏涛,韩万金,王松涛,王仲奇.前置导叶对两种涡轮导向器及涡系结构的影响.推进技术.第25卷第4期:333-337页
[56]王雷,胡松岩.动力涡轮弯扭导向叶片的设计.航空发动机.2001年第4期:6-10页
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[58]冯国泰,王松涛,顾忠华,王仲奇.弯扭掠三维叶片综合流型与流场结构优化的设计思想及应用—弯扭掠叶片设计体系与设计思想研究之二.航空发动机.2002年第4期:5-11页
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[60]王仲奇,韩万金,谭春青,石红,周谟春.大转角透平叶片弯曲形状对叶栅损失增长和分布的影响.工程热物理学报.第14卷第4期:375-379页
[61]顾发华,冯国泰,韩万金,王仲奇.采用弯扭动叶的涡轮流场数值模拟与分析.工程热物理学报.第16卷第4期:424-427页
[62]王仲奇,韩万金,徐文远.低展弦比透平叶片弯曲方法研究.工程热物理学报.第16第1期:35-38页
[63]伊卫林,黄鸿雁,韩万金.基于数值优化的跨音速压气机动叶三维设计.燃气轮机技术.第19卷第2期:34-38页
[64]张永军,冯国泰,陈浮,苏杰先.进口边界层对采用弯叶片的平面扩压静叶栅流场性能的影响.航空动力学报.第21卷第2期:254-260页
[65]黄影虹,王仲奇,冯国泰,杨弘.燃气透平弯扭静叶的设计方法.工程热物理学报.第13卷第3期:265-268页
[66]王正明,王嘉炜.动静叶栅优化改型及其性能分析.工程热物理学报.第26卷第2期:231-233页
[67]冯永明,黄全军,刘顺隆,刘敏,王林.舰船燃气轮机变几何动力涡轮通流特性的数值研究.燃气轮机技术.第18卷第2期:37-43页
[68]张文普,丰镇平.燃气轮机技术的发展与应用.燃气轮机技术.第15卷第3期:17-25页
[69]刘建军.叶栅内定常非非定常粘性流动数值模拟.工程热物理学报.第22卷第3期:301-303页
[70]赵月军,张永学,曹树良.叶栅内非定常不可压流动的数值模拟.工程力学.第22卷第6期:58-62页
[71]黄洪雁,王仲奇,冯国泰.上端壁翘曲对涡轮叶栅流场的影响.推进技术.第23卷第1期:36-39页
[72]吴猛,王松涛,王仲奇,冯国泰.涡轮高压导叶流场结构及损失分析.推进技术.第22卷第3期:229-232页
[73]周凡贞,王世勇,丁晓娟,冯国泰.涡轮高载荷动叶片设计及级三维流场数值分析.推进技术.第25卷第1期:62-65页
[74]王松涛,吴猛,冯国泰,王仲奇.正弯叶片降低叶栅内部损失的数值模拟.热能动力工程.第15卷:151-152页
[75]宋彦萍,王仲奇,芦文才,徐文远.在环形透平静叶栅中叶片的弯曲作用.工程热物理学报.第20卷第2期:181-184页
[76]伊卫林,黄鸿雁,韩万金.轴流压气机叶片优化设计.热能动力工程.第21卷第2期:140-144页
[77]季路成,项林,黄海波,徐建中.1+1/2对转涡轮叶排轴向间距对性能影响的研究.工程热物理学报.第23卷第5期:565-568页
[2]吉佳明.航空燃气涡轮叶片的造型.北京:国防工业出版社,1980年:1-2页
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[37]姚征.多级叶轮机三维流动计算的级间混合方法分析.工程热物理学报.第17卷第4期:417-422页
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