进气加湿对于跨音速压气机转子气动性能影响的数值分析

摘要

现代轴流压气机向着高级压比、高气动负荷、高叶尖切向速度这“三高”方向发展，使压气机稳定工作问题变得越来越重要。通常情况下，高级压比或者高气动负荷会导致跨音速级的出现，尤其是在压气机的第一级。人们一直在寻找能够扩大压气机稳定工作边界并且保持高效率的办法，使压气机获得良好经济性的同时也足够的安全。目前常见的扩稳的方法有静叶调节，中间级放气和机匣处理等技术等。叶尖注入空气技术已经被证实能够扩大压气机稳定工作范围，本文尝试研究通过水滴喷入来改善压气机转子流动失速的技术。
　　 湿压缩技术是在压气机进口或在压缩过程中向被压缩气体喷入液体，利用液体的汽化吸热，来减小压缩功，增大输出功，以此达到改善燃气轮机性能的目的。但是目前研究的压气机主要是亚音速压气机，对于跨音速级还没有研究，所以本文研究了跨音速压气机进口级的加湿后性能变化，特别是加湿对压气机转子稳定性的影响。
　　 本文对跨音速压气机转子Rotor37进行不同工况下的三维定常数值模拟。首先计算干压缩特性线并与实验结果进行对比，证实了数值计算的有效性。在加湿计算的过程中，考虑不同的加湿量和颗粒直径。本文主要研究加湿对激波、流动分离、压升和效率的影响，并重点分析加湿对间隙泄漏区的影响以及扩大压气机稳定工作边界的原因。通过对加湿结果分析处理发现，1micron直径的颗粒不具有增加流量、提高压比的作用。当颗粒直径大于5micron时，加湿可以扩大压气机的稳定工作范围，并且在近失速工况时能够提供更高的压比和通流能力。另外，通过计算发现应该存在一个最佳的颗粒直径和加湿量。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 湿压缩技术的研究发展状况

1.2.1 国外研究发展状况

1.2.2 国内研究发展状况

1.3 压缩系统不稳定工作研究状况

1.3.1 压气机和压缩系统的不稳定工作

1.3.2 压气机主动控制技术的发展

1.3.3 湿压缩技术在主动控制技术的发展

1.4 轴流压气机数值模拟的研究发展状况

1.5 气液两相流的研究发展状况

1.6 本文主要研究工作

第2章 湿压缩过程的理论分析

2.1 引言

2.2 湿压缩过程耗功分析

2.3 水滴颗粒对湿压缩过程的影响

2.4 湿压缩过程增加燃气轮机输出功原理

2.5 湿压缩过程的损失分析

2.6 本章小结

第3章 湿压缩过程的数值模拟方法

3.1 三维湍流数值模拟方法

3.2 两相流模型简介

3.3 控制模型

3.3.1 连续相控制方程

3.3.2 湍流模型方程

3.3.3 离散相控制模型

3.4 控制方程的求解

3.4.1 计算方法

3.4.2 边界条件及收敛准则

3.5 本章小结

第4章 湿压缩的数值模拟结果及其分析

4.1 引言

4.2 压气机转子几何模型

4.3 叶栅网格生成

4.4 边界条件的设定

4.5 数值模拟结果分析

4.5.1 未加湿压气机叶栅流场分析

4.5.2 压气机加湿后对叶栅的总体性能分析

4.5.3 叶栅内部S1流面上的流场分析

4.5.4 叶栅内部S3流面上的流场分析

4.5.5 加湿扩稳原因探讨

4.5.6 加湿过程中可能出现的结冰问题

4.6 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