小膨胀比可变喷嘴式向心透平设计与实验研究

摘要

向心透平将压缩气体的压力能转化为旋转主轴的轴功输出带动负载，在实际工程中有广泛应用。本文设计的小膨胀比向心透平，喷嘴静叶栅角度可调，能够实现在线调节功率大小。本文通过对向心透平的结构设计、速度三角形理论分析、二维和三维数值模拟以及实验研究等，对设计的向心透平内部流场进行了探讨，同时研究了结构参数和操作参数对透平效率的影响，得到最优向心透平结构。主要工作和结论如下:
　　(1)编写了一套设计向心透平的C语言计算程序，确定了所需要设计的透平的基本参数;根据确定的结构参数，设计了小膨胀比可变喷嘴式向心透平结构;在CFD软件数值研究过程中，编写UDF程序实现时时输出所需观测的透平参数。
　　(2)采用二维数值模拟对设计的三种喷嘴静叶栅叶型和四种动叶叶型进行分析，得到最优喷嘴形状为柳叶型，最优动叶叶型为弯型动叶;采用三维数值模拟分析对喷嘴静叶栅角度、喷嘴静叶栅个数、动叶个数以及叶轮顶部间隙等参数进行了研究，确定了最优组合。
　　(3)运用所搭建的实验平台首先对数值模型进行验证，将不同喷嘴静叶栅角度下透平效率的实验值和模拟值对比，结果表明实验值与模拟值吻合度较高，偏差较小，验证了数值模型的正确性。
　　(4)实验研究了不同结构参数结构参数和操作参数对透平效率的影响，结果表明:随着角度的增大，各个压力下的透平效率先增大后减小;动叶轮叶型中弯叶轮型式优于直叶轮型式;随着压力升高，效率先增加后减小，在0.3MPa时效率达到最大值;膨胀比在1.15时效率是最高的;随着透平流量的增加，透平转速逐渐增加，透平效率逐渐减小;透平最优性能是效率56％，转速2900r/min。
　　本文所设计的向心透平可以实现在小膨胀比条件下为从动设备提供原动力，并可以实现在线调节功率大小，实现连续生产，为可调式向心透平的实际应用提供了可靠依据。