發(fā)布時(shí)間：2020-03-30 20:20

【摘要】：我國(guó)船用低速柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)近幾年實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展,但船用低速柴油機(jī)機(jī)技術(shù)長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口,導(dǎo)致缺乏自主研發(fā)能力,與國(guó)外先進(jìn)水平還有較大差距,因此國(guó)家啟動(dòng)“船用低速機(jī)創(chuàng)新工程”計(jì)劃,以期提高船用低速柴油機(jī)及配套部件的自主研發(fā)能力,渦輪增壓器是低速機(jī)的重要配套部件,高效高壓比設(shè)計(jì)是未來(lái)船用柴油機(jī)渦輪增壓器的發(fā)展趨勢(shì),作為增壓器核心部件的渦輪逐漸向大膨脹比高效率方向發(fā)展,大膨脹比渦輪葉片流道內(nèi)流場(chǎng)更加復(fù)雜,流場(chǎng)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)跨聲速流動(dòng),因此開(kāi)展大膨脹比跨聲速渦輪的高效設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法以及改善其性能方法研究是國(guó)內(nèi)外格外關(guān)注的熱點(diǎn),本課題依托“船用低速機(jī)創(chuàng)新工程”開(kāi)展船用增壓器大膨脹比軸流渦輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究。首先,本文研究了大膨脹比渦輪子午擴(kuò)張通流與子午無(wú)擴(kuò)張通流設(shè)計(jì)特點(diǎn),在子午無(wú)擴(kuò)張通流條件下研究并構(gòu)建了流量系數(shù)、載荷系數(shù)和反動(dòng)度的選取規(guī)律,探討了渦輪葉片可控渦扭曲設(shè)計(jì)規(guī)律,并針對(duì)葉片徑向出口馬赫數(shù)寬范圍變化的特點(diǎn),研究了葉片流道的布局形式。結(jié)果表明:動(dòng)葉子午無(wú)擴(kuò)張通流導(dǎo)致葉片膨脹能力和出口馬赫數(shù)增加,進(jìn)而增加了激波強(qiáng)度,且增加了出口余速損失,從而降低了渦輪性能;對(duì)于徑向出口馬赫數(shù)橫跨1.3的跨聲速葉片,縮擴(kuò)流道與漸縮流道混合設(shè)計(jì)能改善渦輪性能,提高渦輪效率。針對(duì)縮擴(kuò)流道與漸縮流道混合設(shè)計(jì)的跨聲速葉片,深入研究了縮擴(kuò)流道喉部位置和縮擴(kuò)流道徑向分布范圍對(duì)渦輪葉片性能的影響規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)隨著喉部位置的后移,無(wú)遮蓋段形成多道激波,中徑激波強(qiáng)度降低,徑向馬赫數(shù)分布的變化使級(jí)反動(dòng)度徑向分布更加不均勻,而縮擴(kuò)流道徑向范圍增加,葉根逐漸由多道激波結(jié)構(gòu)變成激波與反射激波結(jié)構(gòu),縮擴(kuò)流道分布在馬赫數(shù)大于1.2的徑向范圍內(nèi)即0%~30%葉高范圍的流動(dòng)損失更小,分布區(qū)間更為合理。在此基礎(chǔ)上,從流場(chǎng)內(nèi)部流動(dòng)損失精細(xì)化控制角度開(kāi)展了葉型激波損失與二次流損失控制研究,研究指出:控制葉片型線(xiàn)并降低尾緣偏轉(zhuǎn)角改善了喉部與無(wú)遮蓋段型線(xiàn)曲率,從而降低了葉根內(nèi)尾波與反射激波強(qiáng)度,并改變了中徑激波結(jié)構(gòu),總壓損失系數(shù)降低了0.37%,在變工況下,優(yōu)化葉型較原始葉型在高膨脹比范圍內(nèi)具有更小的總壓損失,而對(duì)于二次流損失控制,凹曲率端壁型線(xiàn)設(shè)計(jì)弱化了葉片尾緣端區(qū)的逆壓力梯度和低能流體在端區(qū)的積聚,同時(shí)延后了馬蹄渦的形成位置,馬蹄渦壓力面與吸力面分支在葉片內(nèi)的流程變短,從而降低了二次流損失。本文研究獲得的渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取規(guī)律、渦輪葉片流通面積空間布局規(guī)律、渦輪內(nèi)部流動(dòng)損失控制方法及渦輪設(shè)計(jì)方案等,可為船用增壓器大膨脹比渦輪研制提供一定參考。
【圖文】：

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文的影響規(guī)律，結(jié)果表明，低展弦比渦輪具有更高的效率，而且渦輪響較大。Willianmson 等[10]也對(duì)膨脹比 3.8、載荷系數(shù) 2.5 的渦輪進(jìn)行渦輪效率為 81.4%，Willianmson 認(rèn)為，高載荷系數(shù)和高膨脹比導(dǎo)致大并且流道內(nèi)的氣流流速過(guò)快，并且動(dòng)葉片內(nèi)存在激波損失，引起，因此使得渦輪效率較低。Woinowsky-Krieger 等[11]測(cè)試了膨脹比的渦輪在非設(shè)計(jì)工況下的性能，最后得出在設(shè)計(jì)膨脹比工況下，渦到 80%轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪效率下降大于 4%，三維數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)A/GE[12]還對(duì)超高負(fù)荷渦輪開(kāi)展了相關(guān)研究，研究結(jié)果表明單級(jí)高壓達(dá)到了 5.5，渦輪負(fù)荷提高了 33%，效率比現(xiàn)役渦輪高出 2%，NA輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析，有效降低了高負(fù)荷渦輪內(nèi)的激波損失（圖

圖 1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[16]莊毓南等[17]對(duì)低展弦比高負(fù)荷跨聲速冷卻渦輪特性的計(jì)高亞聲速、跨聲速模型渦輪特性，，并對(duì)低展弦比高亞聲速結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，用作者改進(jìn)公式計(jì)算的特性與算方法不止用于低展弦比高負(fù)荷渦輪，還可以用于一般渦荷跨聲速渦輪，可以采用大折轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)提高渦輪級(jí)的負(fù)荷輪具有一定的參考。黃忠湖等[19~22]開(kāi)展了一系列高負(fù)荷渦
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：U664.1

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本文編號(hào)：2608013