局部进气向心透平的流场数值研究

摘要

分布式发电因其节能、高效的优势已在电能市场中占据日益重要的地位。在国外一些发达国家,以微型燃气轮机为核心的冷热电联供系统已经获得了飞速发展。在中国,无论是日渐强大的国防军事还是不断提高的生活要求,均为微型燃气轮机技术的发展创造了很大的市场。而向心透平是微型燃气轮机的核心做功部件,其性能好坏直接决定了微型燃气轮机技术指标的高低。
　　本文针对某冷热电三联供系统中的微型燃气轮机,展开了高膨胀比、小流量、高效率向心透平的气动设计。通过Fortran编程进行一维计算,在CFturbo中完成气动设计及三维造型,并利用CFX软件进行数值计算和验证分析。对设计得到的局部进气向心透平,改变其叶轮中动叶的相对周向位置进行性能分析,得到静叶与动叶的最优周向定位。文中研究了当蜗壳与导向器叶片进气扇区的相对位置不同、局部进气度e改变,及变工况下局部进气向心透平整体性能的变化,并深入分析了叶顶间隙对向心透平性能的影响。
　　结果表明:设计得到的局部进气向心透平效率为77.29％,达到课题要求;在不同的动叶周向位置下,透平效率最大值比最小值高出了1.52个百分点。局部进气向心透平中,动叶周期性地流经进气、非进气扇区,叶轮入口存在明显的周向压力梯度,但出口的流场和压力则趋于均匀,且随着部分进气度的增大透平流量和输出功率也增加。顶部间隙泄漏流使得局部进气向心透平的流场结构变得更加复杂,泄漏涡在各进气通道内经历了不同的形成和发展过程,当间隙高度增大时,透平的功率和效率线性下降。随着膨胀比的增大,透平的流量和输出功率线性增大,效率在最佳膨胀比时达到极大值,且当转速增大时,最佳膨胀比向较高值移动;在设计转速下,透平效率在整个膨胀比研究范围内都能够保持在70%以上。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究意义

1.2 微型燃气轮机发展概况

1.3局部进气向心透平研究现状

1.4本文的主要工作

第2章 数值计算方法与软件

2.1引言

2.2 CFD简介

2.3计算软件CFX

2.4湍流模型

2.5 CFturbo软件平台

2.6网格验证

2.7本章小结

第3章 向心透平的气动设计及验证分析

3.1引言

3.2工作原理及特点

3.3一维热力计算

3.4三维造型设计

3.5数值验证与分析

3.6本章小结

第4章 带局部进气度向心透平的气动设计及流场分析

4.1引言

4.2气动设计

4.3计算模型

4.4 计算结果与分析

4.5蜗壳与静叶相对位置对透平性能的影响

4.6本章小结

第5章 叶顶间隙和变工况对局部进气向心透平的影响

5.1引言

5.2叶顶间隙泄漏流动机理

5.3间隙高度对局部进气向心透平的影响

5.4变工况分析

5.5本章小结

结 论

参考文献

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