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低压涡轮正问题中损失模型应用研究及气动优化设计

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低压涡轮正问题中损失模型应用研究及气动优化设计

LOSS MODEL APPLICATION TO THROUGH FLOW CODE FOR LOW PRESSURE TURBINE AND AERODYNAMIC OPTIMIZATION

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 叶栅损失简介

1.3 损失模型的发展

1.4 通流优化设计简介

1.5 本文主要工作

第2章 数值计算方法

2.1 S2流面计算方法

2.1.1 控制方程与流面方程

2.1.2 S2曲线坐标系转换

2.2 差分方程

2.3 Numeca/FineTM数值模型

2.3.1 数学模型——湍流Navier-Stokes方程

2.3.2 湍流模型——湍流Spalart-Allmaras模型

2.4 本章小结

第3章 不同损失模型的计算与比较

3.1 应用对象

3.2 给定损失分布

3.2.1 气流角

3.2.2 损失分布

3.2.3 反动度

3.2.4 小结

3.3 系数分配法—速度系数

3.3.1 气流角

3.3.2 损失分布

3.3.3 反动度

3.3.4 小结

3.4 系数分配法—能量损失系数分配

3.4.1 气流角

3.4.2 损失分布

3.4.3 反动度

3.4.4 小结

3.5 Ainley-Mathieson损失模型1

3.5.1 模型介绍

3.5.2 气流角

3.5.3 损失分布

3.5.4 反动度

3.5.5 小结

3.6 Ainley-Mathieson损失模型2

3.6.1 模型介绍

3.6.2 气流角

3.6.3 损失分布

3.6.4 反动度

3.6.5 小结

3.7 Ainley-Mathieson损失模型3

3.7.1 模型介绍

3.7.2 气流角

3.7.3 损失分布

3.7.4 反动度

3.7.5 小结

3.8 Kacker-Okapuu损失模型

3.8.1 模型介绍

3.8.2 气流角

3.8.3 损失分布

3.8.4 反动度

3.8.5 小结

3.9 Martelli-Boretti损失模型

3.9.1 模型介绍

3.9.2 气流角

3.9.3 损失分布

3.9.4 反动度

3.9.5 小结

3.10 A-Alim损失模型

3.10.1 模型介绍

3.10.2 气流角

3.10.3 损失分布

3.10.4 反动度

3.10.5 小结

3.11 BTИ损失模型

3.11.1 模型介绍

3.11.2 气流角

3.11.3 损失分布

3.11.4 反动度

3.11.5 小结

3.12 ЦИАМ损失模型

3.12.1 模型介绍

3.12.2 气流角

3.12.3 损失分布

3.12.4 反动度

3.12.5 小结

3.13 自修改模型

3.13.1 模型介绍

3.13.2 气流角

3.13.3 损失分布

3.13.4 反动度

3.13.5 小结

3.14 不同损失模型比较

3.14.1 三维计算简介

3.14.2 气流角

3.14.3 损失分布

3.14.4 反动度

3.14.5 小结

3.15 本章小结

第4章 基于iSIGHT的叶型优化设计

4.1 软件与优化方法简介

4.1.1 优化软件iSIGHT

4.1.2 叶片成型软件Numeca/AutoBlade

4.1.3 优化流程简介

4.2 优化结果与校验

4.2.1 优化结果基本参数与叶型比较

4.2.2 气流角

4.2.3 损失分布

4.2.4 小结

4.3 优化结果Numeca校验

4.3.1 基本参数对比

4.3.2 气流角

4.3.3 损失径向分布

4.3.4 叶型表面压力分布

4.3.5 三维流线

4.3.6 出口截面涡量分布

4.4 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历

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摘要

S2流面计算方法在叶轮机械中有着广泛的应用,而其计算精度很大程度上依赖于所使用的损失模型。目前所应用的损失模型均是在大量叶栅试验的基础上整理得到相应的经验公式,这也就造成了其适用范围的局限性;同时,S2流面计算方法由于其计算的快捷性与准确性,在叶型优化设计工作中一直占据重要的地位,故此对不同损失模型在S2流面计算方法中的应用研究具有重要的意义。
  本文首先简要介绍了基于欧拉方法的S2流面计算的五个主控制方程和一个流面方程,给出了本文所采用程序应用的差分格式,回顾了损失模型的产生和发展历史,详细阐述了系数分配法、三种A-M损失模型、K-O损失模型、M-B损失模型、A-A损失模型、BTИ损失模型、ЦИАМ损失模型以及HIT损失模型等,就气流角、总压损失、分项损失、反动度等气动参数给出了各损失模型在某五级低压蒸汽透平中的应用情况,并与全三维黏性计算结果进行了对比分析。结果表明,系数分配法完全依赖于损失的人为给定;A-M损失模型计算所得总损失径向分布误差较大;K-O损失模型计算得到总损失径向分布较为合理,但其数值与三维结果误差较为明显;M-B损失模型计算总损失分布与大小相对较好;A-A损失模型计算精度相对较高;BTИ损失模型计算总损失偏大;ЦИАМ损失模型在短叶片级中应用情况略好于在长叶片级中的应用情况;HIT损失模型计算总损失径向分布较为均匀,总损失大小较为可信。
  本文还采用M-B损失模型结合商业软件iSIGHT、AutoBlade,以各叶型截面进出口几何角为自由变量、级等熵效率为目标函数、流量为约束条件,对某一级半低压涡轮第一级叶型进行了气动优化设计工作,并利用Numeca对优化前后叶型做了全三维黏性校验。结果表明,优化后叶型各截面几何折转角有0.08°~7.04°的减小或增加,优化后S2流面计算方法所得到等熵效率较优化前增加了1.45%,流量则降低了0.63kg/s。

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