小展弦比燃气涡轮二次流动控制数值研究

摘要

燃气轮机和蒸汽轮机作为主要动力机械在航空航天和发电等领域发挥着重大作用，涡轮是这两种叶轮机械的最主要组成部分之一，涡轮效率的高低直接影响到燃气轮机和蒸汽轮机的总体性能。进一步提高涡轮效率应深入开展对涡轮通流部分的能量损失机理的研究，涡轮叶栅的气动损失主要由三部分组成：叶型损失、端壁二次流损失和间隙泄露损失，不同的涡轮叶栅内各种损失所占比重有很大的差异，一般认为二次流损失>间隙泄露损失>叶型损失，因此有效的控制二次流损失就能提高涡轮效率。
　　本课题通过数值方法研究对某涡轴发动机燃气涡轮的二次流动控制技术，对第一级燃气涡轮的导叶进行弯叶片设计，分析在小展弦比、有复杂冷却条件下弯叶片对涡轮性能的影响。结果显示：正弯设计能通过降低端区损失的方式减小导叶的气动损失，但弯叶片设计后对叶片表面的温度分布影响很大，造成冷却效果的下降，在设计中要把弯叶片设计和气膜孔设计联合考虑。
　　对第一级燃气涡轮的动叶下端壁开展非轴对称端壁研究，分析非轴对称端壁对燃气涡轮动叶的影响并探讨非轴对称端壁改善二次流的物理机制。结果显示：非轴对称端壁的造型的几何位置对气动性能的影响大于造型幅值的影响，设计时需要充分结合流场特点进行端壁设计。Bezier曲线造型法的端壁变化丰富，比三角函数法更具优势。非轴对称端壁能够有效改善动叶下端区附近流动。
　　以燃气涡轮的第二级为研究对象，分别研究静叶倒角结构和动叶倒角结构对涡轮的性能的影响。结果显示：不考虑倒角的影响可能会导致较大的误差；在加工小展弦比的涡轮叶片时要注意倒角半径的选择。倒角变化对涡轮性能的影响主要发生在上下端区附近，导致附面层损失和尾迹损失的增加。

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第1章 绪 论

1.1 课题的背景和意义

1.2 课题研究相关技术的发展综述

1.3 本文主要研究内容

1.4 本章小结

第2章 数值计算方法

2.1引言

2.2计算流体力学简介

2.3 网格划分方法

2.4 湍流模型概述

2.5本章小结

第3章 燃气涡轮第一级导叶弯叶片研究

3.1引言

3.2燃气涡轮第一级导叶弯叶片数值研究方法

3.3 正弯叶片和反弯叶片对第一级导叶影响对比分析

3.4 第一级导叶正弯研究

3.5 本章小结

第4章 燃气涡轮第一级动叶非轴对称端壁研究

4.1引言

4.1非轴对称端壁造型方法

4.2三角函数造型对动叶的影响

4.3 Bezier曲线造型对动叶的影响

4.4本章小结

第5章 倒角结构对小展弦比涡轮气动性能的影响

5.1引言

5.2涡轮倒角的数值研究方法

5.3静叶倒角对涡轮气动性能的影响

5.4动叶倒角对涡轮气动性能的影响

5.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢