船舶余热利用动力涡轮设计与发电单元研究

摘要

能源是经济发展中比较重要的问题，哈尔滨工程大学根据船舶6S50ME-C8.2型号柴油机设计余热利用系统，涡轮作为余热利用系统中的主要部件之一，将工质的内能转化为机械能，达到能源转化的目的。涡轮作设计作为余热系统主要做功部件，本文主要完成了如下工作:
　　(1)根据船舶主机余热回收系统要求和给定设计参数，展开对涡轮设计。工程设计内容包含了涡轮结构选择、热力计算。分别给出了涡轮结构形式的种类，选择合适的涡轮结构形式，计算了双级径流式涡轮、单级径流式涡轮、单级轴流式涡轮三种方案，经过分析单级径流式热力方案是被选择。再根据余热系统对涡轮功率、出口温度的严格要求，对径流式涡轮设计了三种热力计算方案，最终选择了第二种热力计算方案，得到涡轮基本结构参数。
　　(2)根据热力计算得到的涡轮基本参数，利用Concept NREC对软件分别进行涡轮静叶、动叶的叶片设计，通过不断调整meanline（camber line）、叶片角β、叶片厚度thickness等参数得到理想的涡轮结构形式。本文介绍了数值仿真软件Numeca，并对流体控制方程、湍流模型、数值模拟方法分别进行介绍，通过IGG/Autogrid5对涡轮整体进行网格划分，通过数值仿真方法得到涡轮流场数值仿真。本文还进行了涡轮性能数值仿真，得到涡轮的不同转速下的特性曲线。
　　(3)本文还进行了径流式涡轮的性能研究，主要研究了涡轮叶尖间隙对涡轮性能的影响、以及叶片稠度对涡轮性能进行了研究。利用控制变量法研究不同的对涡轮效率、质量流量、叶片展向马赫数云图等分别进行了计算及研究，从涡轮内部流场进行叶尖间隙和叶片稠度对涡轮性能影响的深刻分析，对涡轮设计具有指导性意义。
　　(4)本文最后完成了对涡轮发电单元的特性研究，涡轮高速轴采用可倾瓦滑动轴承，低速轴采用两叶椭圆瓦轴承，利用Dyrobes软件进行轴承有限元仿真，得到高、低速轴轴承在设计转速下的特性参数。为有效避免转子运行过程中因靠近临界转速而产生的振动，还对转子系统的临界转速及其转子动力学进行分析，得到高速轴、低速轴的临界转速及其动力学特征。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 船舶主机余热综合回收系统的介绍

1．2．1国外船舶主机余热利用动力涡轮系统方案分析

1．2．2国内船舶主机余热利用动力涡轮系统方案分析

1．2．3哈尔滨工程大学船舶余热利用系统研究

1．3 涡轮的研究现状

1．3．1径流式涡轮研究现状

1．3．2轴流式涡轮研究现状

1．4本文的主要研究内容

2．1 涡轮简介

2．1．1涡轮结构形式分类

2．1．2涡轮结构形式的选择

2．2动力涡轮热力计算理论

2．3动力涡轮热力设计方案

2．3．1涡轮设计参数：

2．3．2径、轴流涡轮式设计方案

2．3．3单级径流涡轮式设计方案：

2．4本章小结

第3章涡轮结构设计与性能校核

3．1动力涡轮设计

3．1．1蜗壳的结构和设计

3．1．2涡轮静叶设计

3．1．3涡轮动叶设计

3．1．4涡轮三维结构

3．2涡轮流场数值仿真

3．2．1数值仿真软件

3．2．2流体控制方程

3．2．3湍流模型

3．2．4涡轮网格划分

3．2．5数值模拟方法

3．2．6涡轮数值仿真结果

3．3涡轮特性分析

3．4涡轮损失模型分析

3．5小结

第4章动力涡轮性能研究

4．1叶尖间隙对涡轮性能影响

4．1．1数值模型及方法

4．1．2网格无关性验证

4．1．3计算结果及分析

4．2叶片稠度对向心动力涡轮性能影响

4．2．1变静叶数目对涡轮性能影响

4．2．2变动叶数目对涡轮性能影响

4．3本章小结

第5章涡轮发电单元特性分析

5．1轴承特性分析

5．1．1高速滑动轴承计算

5．1．2低速滑动轴承计算

5．1．3推力轴承承计算

5．2涡轮轴系转子动力学分析

5．2．1高速轴动力学分析

5．2．2低速轴动力学分析

5．3涡轮发电单元经济性分析

5．3．1发电机

5．3．2发电单元经济性计算

5．4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