末级涡轮气动设计方法及非轴对称端壁造型技术研究

摘要

本文系统地研究了蒸汽涡轮长叶片级的有关气动设计方法。围绕蒸汽涡轮长叶片级气动设计体系中的两个重要的环节——涡轮级S2流面反问题设计计算和任意旋成流面上的二维叶栅网格生成方法及无粘流场数值计算方法开展了部分工作。鉴于在蒸汽涡轮长叶片级的动叶片根部，较大的叶型的折转角必然带来较大的二次流损失，本文对利用非轴对称端壁造型减少大折转角涡轮叶栅中的二次流损失进行了探索性的研究。 本文应用流线曲率法编制了涡轮级S2流面的反问题设计计算程序，并对一蒸汽涡轮末级长叶片进行了气动设计，结合上述计算结果对大功率蒸汽涡轮末级长叶片气动设计进行了初步的探讨。对沿叶展等轮周功分布和可控涡流型两种设计方案的优缺点进行了对比分析。分析结果表明：尽管可控涡流型与等轮周功分布方案相比能够使涡轮级的反动度沿叶展的分布趋于均匀，但在应用于末级长叶片的设计时由于积分余速损失的增加而受到了一定的限制。 本文应用有限体积时间相关法求解了任意旋成流面上的二维叶栅无粘流场，应用多重网格技术对数值计算过程进行了加速，取得了良好的效果。在流场计算所用网格的生成方面，除利用代数法生成计算网格外，本文还发展了一种利用Possion方程生成二维叶栅H形网格的新方法。与代数方法生成的网格相比，在同样的网格数目下，Possion方程法生成的网格对叶型的进、出气侧的小圆的几何形状模拟的更真实，网格单元的分布更加均匀，正交性和光滑性更好。对于一种跨音速涡轮静叶栅来说，流场计算的结果表明：Possion方程方法生成的网格与代数方法生成的网格相比，在同样的网格数目下，能更加清晰的捕捉到叶型尾缘处的激波间断。 非轴对称端壁造型作为一种先进的二次流控制技术，具有广阔的工程应用前景。本文应用商用软件Fine/Turbo分别对常规叶栅、下端壁上凸和下端壁下凹两种非轴对称端壁叶栅的流场进行了详尽的数值模拟，通过将下端壁上凸和下端壁下凹叶栅中的通道涡的发生、发展过程与常规叶栅进行对比分析，对非轴对称端壁造型减小涡轮叶栅二次流损失的机理进行了初步的探讨。结果表明：1、下端壁上凸叶栅出口处的总压损失比常规叶栅下降了4.2﹪，下端壁下凹叶栅出口处的总压损失比常规叶栅增加了11.9﹪。可见，合理的非轴对称端壁造型是控制涡轮叶栅内二次流损失的一种有效的方法。2、在下端壁上凸叶栅中，下通道涡的形成比常规叶栅和下端壁下凹叶栅滞后，失去了充分发展的“机会”。这是非轴对称端壁造型能够减小涡轮叶栅二次流损失的根本原因。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2计算流体力学在叶轮机械设计中的发展历程

1.3涡轮叶栅中的各种损失和二次流旋涡模型

1.4非轴对称端壁造型技术的发展概况

1.5本文工作的目的和意义

第二章蒸汽涡轮末级长叶片S2流面反问题设计计算及相关分析

2.1引言

2.2 S2流面反问题设计计算的主方程

2.3主方程的数值求解方法

2.4典型算例及计算结果分析

2.5小结

第三章任意旋成流面上积分形式欧拉方程及数值求解方法

3.1前言

3.2正交曲线坐标系中的欧拉方程

3.3旋转的轴对称正交曲线坐标系中微分形式的欧拉方程

3.4旋转的轴对称正交曲线坐标系中积分形式的欧拉方程

3.5求解积分形式欧拉方程的二阶精度有限体积时间相关法

3.6多重网格算法

3.7边界条件的处理

3.8小结

第四章Possion方程法和代数法生成的二维叶栅网格性能对比分析

4.1引言

4.2两种网格生成方法的简介

4.3利用Possion方程生成二维叶栅网格的方法

4.4两种方法生成的网格对流场计算结果的不同影响

4.5 小结

第五章大折转角涡轮叶栅端壁流场结构数值模拟及涡系效应分析

5.1引言

5.2计算网格的生成及边界条件的给定方法

5.3大折转角涡轮叶栅端壁处旋涡结构及损失产生的机理分析

5.4小结

第六章利用非轴对称端壁造型减小涡轮叶栅二次流损失的研究

6.1引言

6.2两种非轴对称端壁造型形式介绍

6.3计算网格的生成及边界条件的给定方法

6.4非轴对称端壁叶栅与常规叶栅中旋涡结构及损失分布的对比分析

6.5小结

第七章结论及展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

读研期间发表文章情况

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