多级轴流压气机前加级设计及性能优化

摘要

随着科学技术的发展，海洋交通运输对动力的经济性要求更高，船用燃气轮机需要更高推进功率，所以大流量、高压比的压气机设计日趋紧俏。但当前有很多性能优良的压气机，仍不能满足新的需求。以成熟压气机为基础，通过前加级设计来增加质量流量或提高压比从而得到满足新要求的压气机可以很大程度上缩短设计周期、降低设计成本。本文主要提出了跨音速压气机前加级设计的设计方法，并且确定了一个满足新的燃气轮机要求的多级轴流压气机前加级设计方案。
　　本文设计和研究过程主要基于哈尔滨工程大学的自动气动设计平台，主要包括一维计算、二维计算、三维叶片造型和数值计算软件的三维模拟过程。首先通过分析一维特性计算结果，讨论了前加零级与原压气机的匹配原理，并考虑了结构限制的约束条件。在此基础上，通过改变进口预旋来适应长叶片的载荷分布，研究跨音速零级的扭曲规律的影响。跨音速叶型设计使用自编程序生成，叶型中弧线由齐次多项式曲线定义。为了达到设计要求需对跨音速零级压气机进行优化，通过研究零级反动度及动静叶展弦比对零级性能及整机性能的影响，选取最优展弦比和反动度。为了适应新压气机非设计转速下的流场变化，设计可转进口导叶和四排可转静叶，并且讨论可转导叶的转角的变化规律。
　　最后通过多级CFD计算得到了加级后整个压气机的设计结果。结果表明，该前加级设计方法能有效满足压气机性能要求。加级后，新的多级轴流压气机设计点流量增加了21.4％，压比增加了18.23％，并且等熵效率达到89.06％，比原型机压比高0.13％，前加级压气机全工况喘振裕度不低于10％。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2压气机加级设计的研究现状

1．2．1国外研究现状

1．2．2国内研究现状

1．3压气机扩稳措施-可转导叶

1．3．1国外研究现状

1．3．2国内研究现状

1．4本文主要工作

第2章数值计算方法

2．1引言

2．2数值计算方法

2．2．1基本控制方程

2．2．2湍流模型

2．3计算网格

2．4数据处理公式

2．5计算网格数无关性验证

2．5湍流模型的选取

2．7本章小结

第3章多级轴流压气机前加级设计方法

3．1引言

3．2压气机前加级设计方法

3．2．1原压气机性能及加级要求

3．2．2加级基本原理

3．2．3加级设计流程

3．3某8级轴流压气机前加级设计

3．3．1加级匹配点的选择

3．3．2一维设计

3．3．3基于流线曲率法的S2流面设计

3．3．4叶片三维造型

3．3．5前加级压气机网格划分及流场计算

3．3．6三维计算结果

3．4本章小结

第4章第零级与原压气机流场匹配

4．1引言

4．2第零级沿叶高的扭曲设计方案

4．3匹配计算结果分析

4．3．1设计点流场分析

4．3．3 100％转速近失速点流场分析

4．3．2 90％转速近失速点流场分析

4．4本章小结

第5章第零级压气机优化设计

5．1引言

5．2第零级叶片展弦比选取

5．2．1零级动静叶展弦比的确定

5．2．2第零级压气机不同展弦比设计方案确定

5．3第零级叶型参数-展弦比的影响

5．3．1第零级压气机不同展弦比总体性能分析

5．3．2第零级压气机设计点流动分析

5．3．3第零级压气机近失速点流动分析

5．4扭曲方案不同时展弦比对零级压气机的影响规律

5．5反动度不同时展弦比对零级压气机的影响规律

5．6本章小结

第6章前加级压气机低工况性能优化

6．1引言

6．2第零级压气机最终方案

6．3前加级压气机低工况性能优化

6．3．1低工况扩稳措施

6．3．2可转导叶调节方案的确定

6．4加级后整机总体性能对比

6．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢