舰船大功率轴流压气机气动设计研究

摘要

舰船大功率燃气轮机是我国大型水面舰艇的关键和核心装备。长期跟踪、仿制使我国舰船燃机压气机发展中缺少完整的自主化设计能力，造成设计体系不够完善、设计指标不高、专业化设计准则缺失等问题，迫切需要开展舰船燃气轮机压气机气动热力基础研究。 现代压气机正向着高平均级压比、高效率、高喘振裕度的方向发展，这就对压气机的气动设计提出了更高的要求。基于此，本文开展舰船大功率轴流压气机气动设计研究。 跟踪国内外舰用大功率压气机研究进展，按照压气机气动设计的基本原则及方法并结合舰船燃气轮机特点与实际情况，建立起适合我国舰船大功率多级轴流压气机气动设计体系。一维反问题的主要目的是按照给定的流量、压比，估算压气机效率和主要几何参数，主要依据经验关系，确定压气机的初步设计方案。在一维特性计算及优化阶段，采用的是商业软件模块，可以进行叶轮机械变工况性能预测分析。采用基于流线曲率法的压气机S2计算程序，进行S2通流反问题计算，主要任务是在给定子午流道尺寸的基础上设计叶栅性能参数沿叶高的分布规律。基于CDA叶型设计经验，即把叶型进口气流参数转化为无量纲参数，获得叶型无量纲参数与叶片造型参数之间的关系，通过无量纲参数确定CDA叶型的造型参数，得到CDA叶型。为了能够让设计的CDA叶型能够适应不同的流动环境，起到控制流动的作用，将中弧线衔接位置、最大厚度位置、前尾缘半径等参数与气动设计结果进行关联。利用商业软件完成全三维数值模拟，根据三维数值模拟结果，综合考虑压气机的变工况性能在不同区域选择适当的攻角，完成级与级之间的匹配设计。 基于建立的舰船大功率多级轴流压气机气动设计体系，开展了舰船用某型大功率燃气轮机压气机设计研究，完成了6级轴流压气机的气动设计。进行了一维反问题设计、一维特性计算分析、S2反问题计算、叶片造型以及三维CFD计算分析。各级载荷分布从前面级到后面级逐渐降低，叶展方向按照等压比分配以避免径向掺混损失过大，S2设计并没有严格遵循传统的设计规律（等环量、等反动度等），而是基于一维设计参数通过不断调整设计参数所获得的。根据CDA的特点，开发了可用于工程实际的叶片造型程序，可实现不同中弧线、不同厚度分布调节，具有叶片弯、掠等功能。三维数值模拟结果表明，考虑动叶叶顶具有0.5mm间隙的情况下，6级压气机设计点效率达到89.06%，设计转速下的喘振裕度为17.6%，同时具有较好的变工况性能。对级与级之间的匹配进行了理论分析，压气机在设计等转速特性线上偏离设计状态，各级均发生特性的变化，这种变化的相对值会逐级放大，出口级偏离设计状态的相对值最高。这就是多级压气机等转速特性变化的逐级放大。当转速低于设计转速时，引发进口级或前面级严重失速或喘振。压气机压比越高，这种前喘后堵的趋势就越强。 对6级压气机进行了变工况性能分析，圆周方向进行了质量加权平均运算，获得了气流角度在子午面内的分布情况。进口气流角度增大，出口气流角度基本保持不变，静叶具有很强的“吸附”能力，当超出这种吸附范围，出口气流角就发生变化了，即产生所谓的落后角效应。低工况条件下，压气机性能恶化首先发生在存在较大正攻角流动的转子叶片顶部区域，末级压气机的负攻角也造成了较大的气动损失，这种累积效应造成后面级的角度匹配困难，特别是在低转速条件下，这种匹配愈发困难，一方面要兼顾设计点性能，另外一方面还要满足宽广变工况性能，而上述的累积效应和设计要求之间的矛盾如何平衡，这是设计的难点。经过理论分析计算，给出了低转速条件下的转角方案。 开展了舰船大功率多级轴流压气机喘振计算分析研究。提出了一个估算压气机喘振边界的方法和程序，可根据压气机动叶扩压度准则值来确定压气机稳定工作边界。程序计算得到压气机特性曲线，得到压气机在失速边界上动叶中扩压度准则值扩压度系数Dw、动叶进口段扩压度21A/A以及失速边界上动叶气动负荷准则?cp等关键参数，根据工程实例拟合出计算公式，用于计算新的压气机的喘振边界。但是为了更完善的分析，必须进一步积累试验数据。 给出了压气机的气动性能试验相关试验要求、参数测量和测量方法、数据处理以及误差分析等。 本论文研究成果为舰船大功率轴流压气机气动设计夯实了基础，对推动和促进舰船大功率燃气轮机研制具有重要的理论和实践意义。

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