大膨胀比两级涡轮气动设计及数值研究

摘要

动力系统是各种航空、航天、航海设备的核心部件，动力系统的优劣直接决定了飞行器、航海器等设备的各项性能。动力系统一般分为电动力系统和热动力系统两大类。电动力系统具有航程小、速度低、噪声小的特点。热动力系统具有功率大、燃料的能量密度高、噪声大等特点。考虑到热动力系统功率大、航程远的优点，本文选用热动力系统，并设计了具有双压力级的高膨胀比涡轮。
　　本文针对这种类型的涡轮进行了气动设计及数值仿真。设计的双压力级涡轮工作在最佳速比下，达到了较高的效率及输出功率。由于在大膨胀比涡轮中，静叶承担了很高的焓降，常规叶片很难满足相应的要求，因此，涡轮的两级静叶都选用了拉伐尔喷管来实现大焓降。为了保证涡轮动叶叶片不至于过小，采用了局部进气的方案。
　　在设计过程中，首先，根据基本设计参数，按照选定方案，进行了涡轮的一维气动设计，确定了基本参数。之后，对涡轮各部件进行了三维建模及对涡轮三维流场数值仿真。三维数值计算结果表明，通过的流量及输出功率达到设计要求。同时，通过分析数值计算的结果，研究了喷管的性能参数及其内的流动状况，动叶流道内的流动分离、激波的特点，局部进气对涡轮内气动参数的影响及不同位置动叶叶片的载荷分布的影响。在对流场进行分析之后，利用有限元分析软件对涡轮动叶叶片的形变、应力进行了计算及分析，结果表明，应力集中一般出现在涡轮的叶片根部。最后，设计并分析了几种形式的涡轮出口的扩压段的减速效果及能量损失，通过采用逐步扩张型的扩压管，并采用波浪型的壁面，可以在较小的损失的条件下，增大出口气流分布均匀性，并达到较好的减速效果。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究意义

1.2相关领域研究现状

1.3本论文的研究内容

第2章 数值计算方法

2.1引言

2.2流场的数值计算方法

本章小结

第3章 涡轮气动设计及流动分析

3.1引言

3.2一维气动计算

3.3三维计算模型

3.4计算结果分析

3.5本章小结

第4章 涡轮叶片强度计算

4.1引言

4.2强度计算方法

4.3强度分析

4.4本章小结

第5章 涡轮出口扩压段设计及计算

5.1引言

5.2扩压管模型及前处理

5.3计算结果

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及其它成果

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