4MW燃气轮机离心压气机第二级设计和研究

摘要

微、小型燃气轮机作为典型的分布式能源动力装置，有着不错的应用前景。离心压气机因具有单级压比高、结构紧凑等优点而广泛应用于微、小型燃气轮机的压气机部件中。因此，离心压气机的设计研究对于微、小型燃气轮机的发展关系重大。 本文对某4MW工业用燃气轮机的第二级离心压气机部分进行设计和研究。首先，运用Concepts NREC软件完成叶轮和叶片扩压器的设计。叶轮按要求限制轴向尺寸，扩压器采用先单列后串列的方式进行设计。通过NUMECA软件对设计结果进行数值模拟，并依据计算结果调整相关参数以期得到较优方案。 随后，针对设计叶轮展开了叶顶间隙、分流叶片长度和周向位置分布对叶轮性能影响的研究，结果表明： (1)叶轮的性能基本与叶顶间隙成正比，小间隙能够有效抑制间隙流对叶轮内部流动的不利影响，减少跨叶片周向流动的气流量。另外，间隙的影响区域主要分布在叶轮流道的后半部。 (2)经ANSYS有限元分析后，认为适合本叶轮的推荐间隙值为0.3mm。 (3)分流叶片过长和过短都会对叶轮流场造成不利影响，分流叶片的长度存在一个兼顾性能和稳定性的最佳值。对于本叶轮，当分流叶片中弧线/主叶片中弧线=0.63时，叶轮性能最佳。 (4)分流叶片周向位置能够改变叶片两侧通道的流动情况，并能够影响叶顶间隙流在两通道内的分布。对于本叶轮，当分流叶片位于相邻主叶片正中间时，叶轮有着最佳的性能，且分流叶片向主叶片吸力面偏置时对流场的恶化程度较向压力面偏置时更高。 最后，研究了串列叶栅扩压器后排周向位置对压气机性能的影响。将串列叶栅后排叶片在同一节距内选取6个均匀分布的角度，分别记作位置1-位置6。对这6组方案进行数值计算同时与单列叶片扩压器进行对比。结果表明：串列叶栅扩压器相比单列扩压器有着更高的性能和稳定性，且具有更高的静压恢复系数和均匀的出口速度分布；不同后排位置的压气机出口径向速度和气流角分布也存在较大差异，且能够改变前排气流分离带来的影响。经分析，认为后排叶片前缘距前排叶片压力面约1/3节距时，压气机有着最佳的性能。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 离心压气机的国内外研究情况

1.2.1 叶轮设计方法与造型

1.2.2 离心叶轮性能研究

1.2.3 叶片扩压器研究

1.3 本文研究内容

2 离心压气机第二级的设计

2.1Concepts NREC软件简介

2.2 基于Concepts NREC的离心叶轮设计

2.2.1 参数要求

2.2.2 一维设计

2.2.3 叶轮三维设计

2.3 扩压器设计

2.3.1 扩压器段流道设计

2.3.2 叶片扩压器设计

2.4 本章小结

3 数值模拟与模型计算

3.1 引言

3.2 数值模拟方法

3.2.1 控制方程

3.2.2 湍流模型

3.3 模型计算

3.3.1 网格划分

3.3.2 边界条件与初场

3.3.3 网格无关性验证

3.3.4 数据处理

3.4 本章小结

4 第二级离心叶轮的研究

4.1 叶顶间隙对叶轮性能的影响

4.1.1 叶顶载荷分布与叶顶静压流线

4.1.2 基于S3流面的流动分析

4.1.3 叶顶间隙流动分析

4.2 叶轮形变量的有限元分析

4.3 分流叶片长度对叶轮性能的影响

4.3.1 B2B面速度矢量

4.3.2 熵增分析

4.3.3 某大流量工况分析

4.4 分流叶片周向位置对叶轮性能的影响

4.4.1 相对速度

4.4.2 熵增损失

4.4.3 叶顶流线分析

4.5 本章小结

5 串列叶栅扩压器后排周向位置的影响研究

5.1 研究方案与计算结果

5.2 结果分析

5.2.1 压力系数分布

5.2.2 出口截面径向速度和气流角分布

5.2.3 几组方案的内流场分析

5.3 本章小结

结论与展望

一、结论

二、展望

参考文献

附录 符号表

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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