低压汽轮机长叶片准三维气动设计方法研究

摘要

汽轮机是电力工业的核心设备,在当前节能减排的大背景下,人们对其气动性能的要求也越来越高。叶片是汽轮机的重要部件,起着功能转换的关键作用,其设计水平的高低在很大程度上决定了汽轮机热效率的高低。本文以汽轮机低压部分三级叶栅为设计对象,系统研究了长叶片的气动设计方法,主要围绕S2子午通流设计和可控涡造型设计两方面编写Fortran计算程序,并对环量分布形式进行了探讨。在对采用两种不同环量分布形式设计的末级叶片进行造型后,利用CFD软件对其进行气动性能的对比分析。
　　在S2子午通流设计中,采用流线曲率法编制了包含流速、流量、流线三重迭代的S2流面计算程序。通过在叶栅间隙设置计算站,并给定一定的环量分布形式,利用该程序可得到满足流量分布要求的S2子午流面流线图。显然,环量分布不同,会导致S2子午通流的差异。通过对常用的几种流型的对比分析,针对本文研究对象,确定了两种不同的环量分布方案,即前两级叶栅均采用理想等环量流型;方案一中末级叶栅采用理想等环量流型,方案二中末级叶栅采用可控涡流型。
　　在可控涡设计程序中,积分计算出叶片型线的未知坐标q,加之已获得的r、z坐标,可绘制出叶片各截面上的中弧线。通过厚度加载、前尾缘修饰、叶身径向积叠,实现了叶片的三维造型。
　　将采用上述两种方案获得的末级叶片导入Numeca软件中进行全三维计算。在对其气动性能进行对比分析后,发现采用方案二较方案一等熵效率提高约4.5％,且流场分布更趋均匀合理,说明对于本例末级叶栅,采用可控涡流型比理想等环量流型更适合。
　　通过以上工作,初步形成了一套可用于汽轮机长叶片的气动设计体系,在给定合理的环量分布情况下,可快速完成叶片的设计,有重大的工程应用价值。

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1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2叶轮机械气动设计发展历程

1.3 低压汽轮机长叶片气动设计研究

1.4 本文研究的主要内容

2 准三维气动设计的理论基础

2.1引言

2.2 S2子午通流设计理论

2.3 “可控涡”造型方程

2.4本章小结

3 准三维气动设计的程序实现

3.1 引言

3.2 程序的总体架构设计

3.3 程序主要功能模块的实现及测试

3.4 本章小结

4 N25-3.5/435汽轮机低压部分准三维气动设计

4.1 引言

4.2设计问题描述及环量分布形式的给定

4.3 S2子午通流设计结果分析

4.4 叶片造型

4.5 本章小结

5 全三维计算结果分析

5.1 引言

5.2 网格划分

5.3 求解器设置

5.4 两种方案全三维计算结果的对比分析

5.5 本章小结

6 总结

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加科研情况