【摘要】：艦船大功率燃?xì)廨啓C(jī)是我國(guó)大型水面艦艇的關(guān)鍵和核心裝備。長(zhǎng)期跟蹤、仿制使我國(guó)艦船燃機(jī)壓氣機(jī)發(fā)展中缺少完整的自主化設(shè)計(jì)能力,造成設(shè)計(jì)體系不夠完善、設(shè)計(jì)指標(biāo)不高、專(zhuān)業(yè)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則缺失等問(wèn)題,迫切需要開(kāi)展艦船燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)氣動(dòng)熱力基礎(chǔ)研究�，F(xiàn)代壓氣機(jī)正向著高平均級(jí)壓比、高效率、高喘振裕度的方向發(fā)展,這就對(duì)壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求�；诖�,本文開(kāi)展艦船大功率軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究。跟蹤國(guó)內(nèi)外艦用大功率壓氣機(jī)研究進(jìn)展,按照壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的基本原則及方法并結(jié)合艦船燃?xì)廨啓C(jī)特點(diǎn)與實(shí)際情況,建立起適合我國(guó)艦船大功率多級(jí)軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)體系。一維反問(wèn)題的主要目的是按照給定的流量、壓比,估算壓氣機(jī)效率和主要幾何參數(shù),主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,確定壓氣機(jī)的初步設(shè)計(jì)方案。在一維特性計(jì)算及優(yōu)化階段,采用的是商業(yè)軟件模塊,可以進(jìn)行葉輪機(jī)械變工況性能預(yù)測(cè)分析。采用基于流線曲率法的壓氣機(jī)S2計(jì)算程序,進(jìn)行S2通流反問(wèn)題計(jì)算,主要任務(wù)是在給定子午流道尺寸的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)葉柵性能參數(shù)沿葉高的分布規(guī)律�；贑DA葉型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),即把葉型進(jìn)口氣流參數(shù)轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱參數(shù),獲得葉型無(wú)量綱參數(shù)與葉片造型參數(shù)之間的關(guān)系,通過(guò)無(wú)量綱參數(shù)確定CDA葉型的造型參數(shù),得到CDA葉型。為了能夠讓設(shè)計(jì)的CDA葉型能夠適應(yīng)不同的流動(dòng)環(huán)境,起到控制流動(dòng)的作用,將中弧線銜接位置、最大厚度位置、前尾緣半徑等參數(shù)與氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)。利用商業(yè)軟件完成全三維數(shù)值模擬,根據(jù)三維數(shù)值模擬結(jié)果,綜合考慮壓氣機(jī)的變工況性能在不同區(qū)域選擇適當(dāng)?shù)墓ソ?完成級(jí)與級(jí)之間的匹配設(shè)計(jì)�；诮⒌呐灤蠊β识嗉�(jí)軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)體系,開(kāi)展了艦船用某型大功率燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)研究,完成了6級(jí)軸流壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。進(jìn)行了一維反問(wèn)題設(shè)計(jì)、一維特性計(jì)算分析、S2反問(wèn)題計(jì)算、葉片造型以及三維CFD計(jì)算分析。各級(jí)載荷分布從前面級(jí)到后面級(jí)逐漸降低,葉展方向按照等壓比分配以避免徑向摻混損失過(guò)大,S2設(shè)計(jì)并沒(méi)有嚴(yán)格遵循傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)律(等環(huán)量、等反動(dòng)度等),而是基于一維設(shè)計(jì)參數(shù)通過(guò)不斷調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)所獲得的。根據(jù)CDA的特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了可用于工程實(shí)際的葉片造型程序,可實(shí)現(xiàn)不同中弧線、不同厚度分布調(diào)節(jié),具有葉片彎、掠等功能。三維數(shù)值模擬結(jié)果表明,考慮動(dòng)葉葉頂具有0.5mm間隙的情況下,6級(jí)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)效率達(dá)到89.06%,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的喘振裕度為17.6%,同時(shí)具有較好的變工況性能。對(duì)級(jí)與級(jí)之間的匹配進(jìn)行了理論分析,壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)等轉(zhuǎn)速特性線上偏離設(shè)計(jì)狀態(tài),各級(jí)均發(fā)生特性的變化,這種變化的相對(duì)值會(huì)逐級(jí)放大,出口級(jí)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)的相對(duì)值最高。這就是多級(jí)壓氣機(jī)等轉(zhuǎn)速特性變化的逐級(jí)放大。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí),引發(fā)進(jìn)口級(jí)或前面級(jí)嚴(yán)重失速或喘振。壓氣機(jī)壓比越高,這種前喘后堵的趨勢(shì)就越強(qiáng)。對(duì)6級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)行了變工況性能分析,圓周方向進(jìn)行了質(zhì)量加權(quán)平均運(yùn)算,獲得了氣流角度在子午面內(nèi)的分布情況。進(jìn)口氣流角度增大,出口氣流角度基本保持不變,靜葉具有很強(qiáng)的“吸附”能力,當(dāng)超出這種吸附范圍,出口氣流角就發(fā)生變化了,即產(chǎn)生所謂的落后角效應(yīng)。低工況條件下,壓氣機(jī)性能惡化首先發(fā)生在存在較大正攻角流動(dòng)的轉(zhuǎn)子葉片頂部區(qū)域,末級(jí)壓氣機(jī)的負(fù)攻角也造成了較大的氣動(dòng)損失,這種累積效應(yīng)造成后面級(jí)的角度匹配困難,特別是在低轉(zhuǎn)速條件下,這種匹配愈發(fā)困難,一方面要兼顧設(shè)計(jì)點(diǎn)性能,另外一方面還要滿(mǎn)足寬廣變工況性能,而上述的累積效應(yīng)和設(shè)計(jì)要求之間的矛盾如何平衡,這是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)理論分析計(jì)算,給出了低轉(zhuǎn)速條件下的轉(zhuǎn)角方案。開(kāi)展了艦船大功率多級(jí)軸流壓氣機(jī)喘振計(jì)算分析研究。提出了一個(gè)估算壓氣機(jī)喘振邊界的方法和程序,可根據(jù)壓氣機(jī)動(dòng)葉擴(kuò)壓度準(zhǔn)則值來(lái)確定壓氣機(jī)穩(wěn)定工作邊界。程序計(jì)算得到壓氣機(jī)特性曲線,得到壓氣機(jī)在失速邊界上動(dòng)葉中擴(kuò)壓度準(zhǔn)則值擴(kuò)壓度系數(shù)wD、動(dòng)葉進(jìn)口段擴(kuò)壓度2 1A/A以及失速邊界上動(dòng)葉氣動(dòng)負(fù)荷準(zhǔn)則cp?等關(guān)鍵參數(shù),根據(jù)工程實(shí)例擬合出計(jì)算公式,用于計(jì)算新的壓氣機(jī)的喘振邊界。但是為了更完善的分析,必須進(jìn)一步積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)。給出了壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能試驗(yàn)相關(guān)試驗(yàn)要求、參數(shù)測(cè)量和測(cè)量方法、數(shù)據(jù)處理以及誤差分析等。本論文研究成果為艦船大功率軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)夯實(shí)了基礎(chǔ),對(duì)推動(dòng)和促進(jìn)艦船大功率燃?xì)廨啓C(jī)研制具有重要的理論和實(shí)踐意義。
【圖文】：

大功率燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)一般為多級(jí)軸流式結(jié)構(gòu)，平均級(jí)壓比及整機(jī)絕術(shù)進(jìn)步不斷提高。近年來(lái)，葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)與定制葉型設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)一步提高了壓氣機(jī)的氣動(dòng)效率動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，，渦輪內(nèi)部的氣流是作膨脹和加速流動(dòng)的，葉片表。而壓氣機(jī)中的氣流是作擴(kuò)壓減速流動(dòng)，沿流動(dòng)方向的附面層的逆壓迅速增厚并容易脫離。這是造成壓氣機(jī)氣動(dòng)性能和工作穩(wěn)定性差的內(nèi)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)不足，乃是軸流式壓氣機(jī)氣動(dòng)性能長(zhǎng)期以來(lái)提高很慢的主到先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能指標(biāo)，對(duì)于壓氣機(jī)而言，需要有更高的總壓少的級(jí)數(shù)和更寬的穩(wěn)定工作范圍。因此壓氣機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[17]~[23]是級(jí)切線速度不斷提高，更低的展弦比以及更高的稠度。燃機(jī)循環(huán)效率的主要方法是提高整機(jī)的壓比。增加壓比或減少級(jí)數(shù)，升。

圖 1-2GE 公司壓氣機(jī)級(jí)壓比發(fā)展趨勢(shì)2GE compressor stage pressure ratio developm3MTU 公司壓氣機(jī)葉型、級(jí)壓比與效率的發(fā)pressor blade stage pressure ratio and efficienc下通過(guò)提高馬赫數(shù)或者擴(kuò)壓因子來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)，包括靜壓升系數(shù)以及de haller數(shù)（限
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)艦船研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：U674.7

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本文編號(hào)：2610854