微型涡轮发电机双级轴流涡轮设计

摘要

自1995年美国动力年会Capstone等公司推出了发电功率量级为25～75kw的微型涡轮发电机样机，由于微型涡轮机具有能源利用率高，环境污染小，经济效益好等特点，便得到了迅速发展和广泛应用。本文以NASA Lewis研究中心某外径为128mm的微型轴流涡轮作为参考叶型，完成了南航微发所200kw微型涡轮发电机双级轴流涡轮设计方案，并以微型涡轮机第一级涡轮静叶作为初始方案，研究了适用于微型轴流涡轮的弯叶片设计技术和子午流道收缩技术，并将所设计的大弯高小弯角J型弯曲静叶应用于微型涡轮机第一级涡轮静叶，提升了涡轮性能。本文的研究内容主要分为以下几个方面：
　　1.采用numeca对NASA Lewis研究中心某外径为128mm的微型轴流涡轮进行了数值校验，对比了网格密度和湍流模型对计算准确度的影响，结果表明numeca软件能够较准确的模拟微型轴流涡轮内部流场，采用S-A湍流模型，80万节点的网格密度，可以确保跨音微型轴流涡轮计算的准确度，数值计算与试验结果的偏差不超过±3％。
　　2.以 NASA Lewis研究中心某微型轴流涡轮作为参考叶型，完成了微型涡轮发电机两级轴流涡轮气动设计方案。并研究了叶片轴向弦长对涡轮流场的影响，结果表明，在保证叶片稠度一致和满足最低加工精度要求的条件下，减少叶片轴向弦长，可减缓吸力面附面层堆积现象，涡轮轮缘功和效率较原型分别提高了了2.06%和1.28%。
　　3.基于微型涡轮机第一级涡轮静叶，开展了弯曲静叶设计技术研究。对比了正弯和J型弯静叶对微型涡轮流场的影响，认为正弯静叶顶部出口气流角增大，造成下游动叶叶尖泄漏损失增加，整体效率水平下降，而 J型弯方案抑制了下游动叶叶背中径的流动分离，整体性能较原型有所提升；并研究了 J型静叶弯高和弯角对涡轮性能的影响规律，结果表明采用大弯高小弯角设计的J型静叶提高了静叶根部通流能力，同时合理分配了静叶通道内的负荷以及出口气流方向，对涡轮级流场的改善效果更佳。J型静叶弯高为1弯角为+5°时，涡轮轮缘功和级效率较原型分别提升0.94%和0.7%。本文所设计的大弯高小弯角J型积迭规律同样适用于常规尺度跨音涡轮，并且下游动叶对来流攻角的变化不特别敏感的情况。
　　4.基于微型涡轮机第一级涡轮静叶，开展了端壁收缩静叶技术研究。研究了高度收缩比 C、收缩段长度L以及衔接圆R2/R1比值对收缩静叶流场的影响规律，确定了较佳的上端壁收缩型线，并将此端壁型线应用于微型涡轮机第一级涡轮，静叶总压恢复系数提高了0.27%，涡轮级轮缘功和效率分别提升了0.34和0.56%。端壁收缩型线与J型弯曲静叶的联合应用结果表明，由于端壁收缩静叶主要改善了根部至80%通道高度的流动效率，而顶部性能略有下降，因此对J型弯曲静叶的整体改善效果不佳。
　　5.完成了南京航空航天大学微型发动机研究所200kw微型涡轮发电机的双级轴流涡轮方案，其流量、轮缘功、落压比和级效率分别为1.1931 kg/s、387.4KJ/kg、4.714和0.8739，总体性能均达到了设计指标的要求并留有一定裕度.

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状及存在的问题

1.3本文研究目标与内容

第二章 微型轴流涡轮数值计算准确度校验

2.1 校验叶轮及数值计算方法介绍

2.2 网格密度、湍流模型对试验总体性能参数的影响

2.3 网格密度、湍流模型对试验流场参数的影响

2.4 小结

第三章 微型涡轮发电机双级轴流涡轮气动设计

3.1 微型涡轮发电机一维流路设计

3.2微型涡轮机第一级涡轮三维气动设计

3.3微型涡轮机第二级涡轮设计

3.4小结

第四章 微型轴流涡轮弯曲静叶设计研究

4.1 弯叶片降低损失原理以及控制规律介绍

4.2 弯叶片积迭线形式选取对涡轮流场影响

4.3 J型弯曲静叶弯高和弯角对涡轮流场影响分析

4.4 小结

第五章 微型轴流涡轮静叶端壁收缩设计方法研究

5.1端壁收缩技术降低损失机理及其参数控制规律介绍

5.2高度收缩比C对静叶流场的影响

5.3 收缩段长度L对静叶流场的影响

5.4 衔接圆R2/R1比值对静叶流场的影响

5.5 静叶上端壁收缩对涡轮级性能的影响

5.6 小结

第六章 总结

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录一