【摘要】：隨著技術的發(fā)展,更小單機質(zhì)量、更高性能的向心透平成為國內(nèi)外設計者追求的目標。由于向心透平內(nèi)部流動結構非常復雜,要想設計出高性能的向心透平,就必須對其內(nèi)部流場進行深入研究。同時,為了降低單機質(zhì)量,縮減透平級數(shù)、增大向心透平單級膨脹比成為設計者們關注的重點問題之一。本文以四級向心透平為原型,為了減小軸向尺寸,降低向心透平整體質(zhì)量,將級數(shù)減少一級,在保證功率和效率的前提下,完成了三級向心透平的氣動設計。級數(shù)減少后,向心透平單級膨脹比增大,常規(guī)靜葉無法滿足設計要求,所以在第一級采用縮放噴管來獲得超音速氣流。以一維預期結果為依據(jù),通過數(shù)值計算評估了向心透平的三維氣動性能,結果顯示,縮放噴管出口馬赫數(shù)接近一維預期值,所設計的向心透平軸端功率達到589k W,相對內(nèi)效率達到63%以上,基本滿足設計要求,驗證了設計方法的合理性。本文通過數(shù)值模擬的手段,研究了不同頂部間隙產(chǎn)生的泄漏流對向心透平的影響規(guī)律。計算結果顯示,葉頂間隙的存在使流體從葉片壓力側泄漏向吸力側,并在吸力側產(chǎn)生泄漏渦,對流動造成影響,使距離頂部10%葉高范圍內(nèi)的氣流出現(xiàn)偏轉不足的現(xiàn)象,并且隨著頂部間隙增大而表現(xiàn)的更加強烈。同時,頂部間隙高度增加時,泄漏流量逐漸增加,導致葉片負荷降低,尤其是對葉展中部以上范圍內(nèi)的葉片負荷影響較大。從損失的角度來看,葉頂間隙存在時,50%葉高以上范圍內(nèi)的總壓損失系數(shù)有所增加,且由于泄漏流與主流的相互摻混,流動損失增大。此外,研究還發(fā)現(xiàn),對向心透平而言,徑向間隙對性能的影響程度大于軸向間隙的影響程度。在保證安全的前提下,設置了變高度分布的頂部間隙,結果指出,變高度分布的頂部間隙有助于降低泄漏損失。通過對齒形汽封內(nèi)部流場的數(shù)值模擬,分析了汽封腔室內(nèi)的渦系結構,并且研究了泄漏流量及摩擦損失隨著轉速的變化規(guī)律。計算結果表明,氣流在汽封結構內(nèi)流動是由若干個節(jié)流過程組成的,壓力呈現(xiàn)階梯式下降的趨勢,而速度則逐漸升高。各個汽封腔室內(nèi)產(chǎn)生的旋渦結構,對氣流產(chǎn)生了耗散作用,有助于阻止泄漏。隨著向心透平轉速的增加,間隙泄漏流量增大,在一定范圍內(nèi),當轉速從5000r/min增加到15000r/min時,泄漏流量增加了80kg/h,總體來看,增加幅度較小。而摩擦損失隨著轉速增加呈現(xiàn)出近乎線性增大的趨勢。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK14
【圖文】：

第 1 章 緒 論及研究意義功率、高速性、經(jīng)濟性等優(yōu)勢而被廣泛應用于國民電、航海、航空航天、地面動力系統(tǒng)等。按照工質(zhì)種：軸流式透平和向心式透平。由于結構上的特損失做功。因此，向心透平具有單級做功能力大及結構緊湊[1]，如今，在很多小功率、小空間場合中的結構比較簡單，如圖 1.1 所示，主要由渦輪靜子葉和無葉兩種形式，其部件包括蝸殼和噴嘴環(huán)，一蒸汽進入動葉時的速度大小和方向[2]。高溫高壓的進入進氣管，在靜葉柵或者無葉導向裝置中膨脹后的氣流進入高速旋轉的動葉流道內(nèi)繼續(xù)膨脹做基本特點進行了對比。

上世紀 50 年代之前，由于對流體力學的認知水平和電子計算機運算能力制，向心透平的設計方法基本是基于經(jīng)驗的一維設計理論。隨著三元流動理論展和電子計算機的不斷進步，向心透平設計理論也得到顯著發(fā)展，逐漸衍變成、三維設計方法，但合理的一維設計仍是高效向心透平設計的重要基礎。上世紀 60 年代，NASA 劉易斯實驗室開展了一系列工作，研究了向心透平設影響因素，例如葉頂間隙尺寸、葉片載荷及比轉速等參數(shù)對向心透平的影響規(guī)H. E. Rohlik 等人[11]通過一維理論分析并結合經(jīng)驗公式給出向心透平中的損失，并且研究了向心透平各幾何尺寸對比轉速變化的影響，包括葉輪進、出口半及靜葉出口半徑與葉輪入口半徑之比等幾何參數(shù)。A. J. Glassman 等人[12]設計了一套 FORTRAN 程序，設計者輸入進口溫度、壓流量以及做功等參數(shù)，通過改變?nèi)~輪進出口半徑比、導葉出口氣流角等幾何參程序會輸出不同的向心透平效率，可以快速選擇最優(yōu)方案。T.Sawada 等人[13]了一維計算程序，將靜葉和動葉內(nèi)的損失分別用靜葉速度系數(shù)和動葉速度系示，然后應用連續(xù)性方程和角動量守恒方程計算向心透平的參數(shù)。他們將計算與試驗結果進行對照，發(fā)現(xiàn)吻合良好。

上世紀 50 年代之前，由于對流體力學的認知水平和電子計算機運算能力制，向心透平的設計方法基本是基于經(jīng)驗的一維設計理論。隨著三元流動理論展和電子計算機的不斷進步，向心透平設計理論也得到顯著發(fā)展，逐漸衍變成、三維設計方法，但合理的一維設計仍是高效向心透平設計的重要基礎。上世紀 60 年代，NASA 劉易斯實驗室開展了一系列工作，研究了向心透平設影響因素，例如葉頂間隙尺寸、葉片載荷及比轉速等參數(shù)對向心透平的影響規(guī)H. E. Rohlik 等人[11]通過一維理論分析并結合經(jīng)驗公式給出向心透平中的損失，并且研究了向心透平各幾何尺寸對比轉速變化的影響，包括葉輪進、出口半及靜葉出口半徑與葉輪入口半徑之比等幾何參數(shù)。A. J. Glassman 等人[12]設計了一套 FORTRAN 程序，設計者輸入進口溫度、壓流量以及做功等參數(shù)，通過改變?nèi)~輪進出口半徑比、導葉出口氣流角等幾何參程序會輸出不同的向心透平效率，可以快速選擇最優(yōu)方案。T.Sawada 等人[13]了一維計算程序，將靜葉和動葉內(nèi)的損失分別用靜葉速度系數(shù)和動葉速度系示，然后應用連續(xù)性方程和角動量守恒方程計算向心透平的參數(shù)。他們將計算與試驗結果進行對照，發(fā)現(xiàn)吻合良好。

【參考文獻】

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本文編號：2759964