氦气压气机新型高负荷叶型初步研究

摘要

高温气冷堆和非传统燃料外燃式热机使布雷登循环氦气轮机面临很好的发展前景。氦气压气机如果采用常规的空气压气机规律设计，则其单级压比小、级数过多，这是未来发展必须解决的一个课题。针对此问题，本文对一种可成倍提高氦气压气机级加功量的新型速度三角形进行了分析介绍，用空气平面叶栅试验数据和经验规律对新型氦气叶栅进行了叶型损失估算和基元级叶型效率估算。在对所选湍流模型和网格划分首先进行了校准的基础上，采用FLUENT6.3流体分析软件对新型氦气叶栅流场进行了数值模拟，并分析了叶栅最大相对厚度对叶栅性能的影响。 数值模拟结果显示：与常规设计相比，当进口马赫数为0.466至0.7013时，此新型基元级的加功量可以增加2至4倍，从而成倍的减少氦气压气机的级数，而叶型效率仍可达到0.939至0.894；气流转折角达到38.75°至49.43°；出口气流角达到0.78°至-12.45°；流场基本没有出现分离现象；减小叶栅最大相对厚度可以提高叶型效率。 由于空气平面叶栅为低速试验，并缺乏新型叶栅结构参数下的试验数据支持，用空气平面叶栅经验估算新型氦气叶栅性能在较高马赫数下偏差较大。本文数值模拟的叶栅仍然采用了传统的原始叶型厚度分布(C4叶型)，对叶片厚度分布或气流通道形状进行优化设计预计还有较大的提升性能的潜力。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2国内外研究状况

1.2.1国外发展状况

1.2.2国内发展状况

1.3氦气压气机的设计方法

1.4论文主要研究内容

第2章氦气压气机气动特点

2.1氦气的基本特性

2.2常规叶型设计的气动特点

2.2.1气流马赫数低

2.2.2单级压比小

2.3氦气叶栅的特点

2.4空气试验的经验公式对氦气压气机的适用性问题

2.5本章小结

第3章新型基元级的理论研究

3.1引言

3.2大转折角叶栅

3.3基元级的无量纲特性参数和叶栅稠度的选取

3.3.1级的反动度

3.3.2能量头系数

3.3.3流量系数

3.3.4叶栅稠度的选取

3.4新型速度三角形

3.5新型基元级叶型损失和叶型效率的计算方法

3.5.1扩压因子

3.5.2总压损失系数

3.5.3叶型效率

3.6计算结果与分析

3.7本章小结

第4章数值模拟方法和常规叶型设计与数值模拟

4.1数值模拟方法

4.1.1基本控制方程

4.1.2湍流模型

4.1.3壁面函数

4.1.4计算网格

4.1.5边界条件

4.2常规叶型设计

4.2.1叶型几何参数的影响

4.2.2冲角、落后角和弯角的选取

4.2.3叶型设计参数的选取

4.3数值计算方法的校核

4.3.1叶型表面压力系数校核

4.3.2气流弯角的校核

4.3.3级总压损失校核

4.4常规叶型数值模拟

4.4.1数值模拟参数

4.4.2数值模拟结果

4.4.3模拟结果分析与比较

4.5本章小结

第5章大转折角氦气平面叶栅设计及数值模拟

5.1引言

5.2氦气平面叶栅设计

5.2.1叶型几何参数

5.2.2叶栅气动参数

5.3氦气平面叶栅的数值模拟

5.3.1数值模拟结果

5.3.2马赫数等值线

5.3.3流线图

5.3.4局部速度矢量图

5.4模拟结果分析与比较

5.5叶栅最大相对厚度对叶栅性能的影响

5.5.1流场最大马赫数

5.5.2分离现象

5.5.3级叶型效率

5.6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