（轮机工程专业论文）跨音速向心汽轮机气动设计分析.pdf

摘要与轴流式相比，由于向心式汽轮机利用了哥氏力无损失做功，所以具有较大的单级做功能力，设计先进的向心涡轮也可以具有很高的效率，而且具有结构紧凑、制造工艺简单，以及在流量较小的设计条件下仍有较商效率等优点。本文主要通过一维设计与三维数值模拟相结合的方法，对一3 0 0 k w 跨音速单级向心式汽轮机进行气动设计分析。汽轮机单级膨胀比为4 1 7 ，级支配焓降达到2 4 8 5 k 1 ，为保证较高的效率，导叶栅出口绝对马赫数设计值达到1 3 5 。本文导叶栅采用的是渐缩型叶栅。研究发现，乖j 用渐缩型导叶槭斜切部的膨胀能力获得超音速流是一种行之有效的方法。但是斜切部的膨胀能力是有限的，当导叶栅出1 ：3 马赫数值达到一定值以后，斜切部的膨胀能力已经被充分用，若继续增大压降会带来较大的损失，此时需考虑使用缩放型叶栅。本文对叶轮叶型中弧线曲率、叶轮叶片数对整级气动性能的影响进行了深入分析。数值分析表明：叶轮叶型中弧线曲率、叶轮叶片数各自均有一最佳值。除此之外，还通过数值模拟的方法对长短叶片结构叶轮整级气动性能的影响进行了探讨，并对短叶片的长度及放置位置进行了深入分析。结果表明：对于高膨胀比、大蛄降的向心汽轮机而言，采用长短叶片结构叶轮可以有效地避免叶片数目过多带来的叶轮出口排挤问题和叶片数目过少带来的流道扩散问题，改善流动效果，提高傲功能力；当短叶片长度约为长叶片长度的0 6 - 0 6 5 时，整级具有最商的流动效率；当短叶片偏置的位置稍微靠近压力面时比其置于两长叶片正中时流场均匀。关键词：向心汽轮机，跨音速；长短叶片；数值模拟坠尘堡 ：矍垒兰堡圭兰堡篁圣a b s t r a c tc o m p a r e dw i t ha x i a lt u r b i n e , t h ee h a r a c t e r i s t i eo f t h er a d i a li n f l o wt u r b i n ei st h a tc o r i o l i sf o r c eg e n e r a t i n ga d d i t i o n a ll o s s l e s sw o r k t h u s t h eo u t p u tp o w e ro fas i n g l es t a g eo fr a d i a li n f l o wt u r b i n ec a nb eg r e a t e rt h a nt h a to fas t a g eo fa x i a lt a r b i n e w i mt h et i g h ts t r u c t u r ea n dt h es i m p l ep r o d u c t i o nc r a f t , r a d i a li n f l o wt u r b i n ec o u l da l s ob eo f h i g h e re f f i c i e n c yt h a nt h a to f a na x i a ls t a g e , e s p e c i a l l yi nt h ec a s eo fs m a l if l o wr a t e a e r o d y n a m i c sd e s i g no fa3 0 0 k wt r a n s o n i cr a d i a li n f l o ws t e r n at u r b i n ei sd i s e u s s e di ut h i st h e s i s w h i c hc o m b i n e do n e d i m e n s i o n a la e r o d y n a m i cm e t h o do ft h er a d i a li n f l o wt u r b i n ew i t ht h es t a t e o f - a nt h r e e d i m e n s i o n a lc f dn u r n e r i e a ls i m u l a t i o n n ”e n t h a l p yd r o po ft h ed e s i g n e ds t a g ei s2 4 8 5 1 ( j a n dt h ep r e s s u r er a t i oi s4 1 7 i no r d e rt oa c h i e v eh i g h e re f f i c i e n c y ，as m a l lr e a c t i o nd e g r e ei ss e l e c t e d ，s os u p e r s o n i cf l o wf i e l d sa p p e a r e di nt h es t a t o rc a s c a d e ，t h ed e s i g n e da b s o l m em a c hn u m b e ra tt h es t a l e ro u t l e ti 8i 3 5 i nt h i st h e s i s , t h es t a r e ri sc o n t i n u o u s l yr e d u c i n gb l a d e r e s e a r c hi n d i c a t e st h a t ：a l t h o u g ht h es t a t o ri sc o n t i n u o u s l yr e d u c i n gb l a d e ，h i g he f f i c i e n c yc a l lb er e a c h e du n d e rs u p e r s o n i cc o n d i t i o n h o w e v e r , t h ee x p a n s i o na b i l i t yo ft h ec o n t i n u o u s l yr e d u c i n gb l a d ei sl i m i t e d w h e nt h em a c hn u m b e ra tt h es t a t o ro u t l e ta c h i e v e st h ec a t a l nv a l u e ，t h ee x p a n s i o na b i l i v o ft h ec o n t i n u o u s l yr e d u c i n gb l a d ei sr u no u ti f w ec o n t i n u o u s l yi n c r e a s et h e t h a l p yd r o p ，f l o wl o s sw i l lb em o r ee v i d e n t u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，s u p e r s o n i cg u i d ev u n e ss h o u l db ea d o p t e d 1 1 l ei m p e l l e rb l a d en u m b e ra n dt h ea s e - e n r v a t u r eo ft h ei m p e l l e rb l a d eh a v ei m p o r t a n ti m p a c to nf l o we f f i c i e n c ya n dc h a r a c t e r i s t i c s t h e ya l lh a v ea no p t i m a lv a l u er e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h er a d i a li n f l o wi m p e l l e rw i t hl o n g - s h o r tb l a d e si sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s e m p h a s i si sf o c l l s e do nt h ee f f e no ft h es h o r tb l a d el e n g t ha n dp o s i t i o no nt h ef l o wa n dc h a m c t e r i m i e so f t h es t a g e t h er e s u l t sf r o mt h es t u d ys h o wt h a t ：t ot h eh i g hl o a da n dw a n s o m ct u r b i n e , t h er a d i a li n f l o wi m p e l l e rw i t hl o n g - s h o r tb l a d e sc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n do u t p u tp o w e r ；t h ee f f i c i e n c yi sh i g h e s tw h e nt h el e n g t hr a t i oo f一。鉴垒量三垒奎茎雪圭茎堡垒兰。t h es h o r tb l a d et ot h el o n gb l a d ei sb e l w c c n0 6a n do 6 5 ；t h ee f f i c i e n c yi sh i g h e s tw h e nt h ep o s i t i o no f s h o r tb l a d ei sc l o s et ot h ep r e s s u r e s i d eo f t h el o n gb l a d e k e y w o r d s ：r a d i a li n f l o ws t w a mt u r b i n e ；t r a n s o n i c ；l o n g - s h o r tb l a d e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的应用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引用内容外，本论文不包含任何其他人或集体已公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到声明的法律结果由本人承担。作者( 签字) ：么圣涵日期：d 鲫1 ) 年三月。日，哈尔滨工程大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 课题研究的背景及意义随着工业生产的发展，动力和环境工作者正面临着两个新的问题，一是能源消耗的增加及随之而来的价格上涨，二是环境污染日趋严重。不管是工业先进国家也好，发展中国家也好，都在致力于节能和降低环境污染。我国近年来也一再重申，积极发展热电联产和集中供热是节约能源，减轻环境污染的重要途径。凡供热容量在1 0 - 2 0 “h 以上，有稳定热负荷、年利用在4 0 0 0小时以上的企业和单位都要安排热电联产，可以说，热电联产是热能与动力工程领域中一个新的长期的发展方针。向心式透平与轴流式透平相比，具有体积小、结构简单和单级压比高等自身的优点。特别适用于工业驱动用汽轮机和各种小型自备汽轮发电机组，在同样的进气量和初、终参数下，输出功率约大出1 5 肛5 0 ，在同等功率下，机组效率可从轴流式的3 0 一6 0 提高到6 2 - 7 7 甚至更高川。向心式汽轮机效率高是因为蒸汽在向心式汽轮机中的，做功能力比在轴流式汽轮机中多了垫二项( 其物理意义为蒸汽在旋转叶轮2中流动时，为克服离心力所作的功。这一部分能量转换是没有损失的，当汽轮机参数选择得合适时，它可达到透平等熵功的3 0 - 4 0 0 , 4 ) 。还由于采用了高转速( 通常为2 0 0 0 0 - 4 6 0 0 0 r p m ) ，使速比达到了最佳。随着转速的提高，通流部分的高度增加了，而且可以全周进汽，这样，轮阻鼓风损失，端部二次流损失及漏汽损失也都降低了。与此相反，轴流式小汽轮机因做功能力小而常常不得不采用双列复速级，从而导致了很低的效率。向心式汽轮机对于在生产工艺过程中所使用的低压和低过热温度蒸汽( 其流量也不大) 而言，其吸引力便更明显了。向心式汽轮机的结构比较简单，如图ll 所示。它主要由一个向心式叶轮和一个蜗壳构成。叶片直接在叶轮上铣削成形，或整个叶轮精密浇铸而成。蜗壳一般为铸件，蜗壳中通常装有喷嘴环，以保证蒸汽进入叶轮的速度大小和方向。虽然早在3 0 - 4 0 年前已经出现了小型向心式汽轮机，但由于当时能源价格便宜，以及高速传动齿轮、叶轮材料强度、高速轴承等技术问题的限哈尔滨i t 羁! 人学硕十：学位跑文制，使得这种型式的高效率汽轮机一直没有获得商业应用，直至八十年代初，随着上述技术问题的顺利解决，加之能源危机引起的燃料价格上涨。才使这种高效率的小功率汽轮机得以推广应用。例如，德国的三k ( k u l n l e ，k o 坤& k a t m c h ) 公司开发生产的小型向心式汽轮机系列，输出功率从1 0 虱j 4 0 0 0 k w ，如图1 2 所示。美国t u r b o n e t i c s 公司已批量生产了功率3 0 0 - 3 0 0 0 k w 的向心式汽轮机，效率为6 2 7 7 【2 j ，而在同样功率范围内，轴流式汽轮机的效率只有3 0 - 6 0 t 2 1 。图1 1 向心汽轮机结构简图高效率向心式汽轮机在国内也引起了重视，国内不少研究所和企业都对向心式汽轮机进行过研究，如东方电站设备成套公司南京公司、中船总公司7 0 3 研究所无锡分部和南京透平工作者协会等单位联合设计的x q 系歹0 4 0 0 k w高效率向心式汽轮机，如图1 3 所示。其进气参数为1 3 m p a 、2 8 0 、排汽压力为0 5 m p a 、蒸汽流量为i o t h 、转速为2 5 0 0 0 r d m 口1 1 3 1 1 4 | 。图1 2 三k 公司带齿轮箱的单级向心式汽轮机2i | 撕貔g、幺if 逛图1 3b o a 一1 3 5 型向心式汽轮机纵剖面图1 2 向心式叶轮内部流动研究的发展向心式叶轮内部的流动规律如下；气流进入叶轮流道后，边界层便开始在所有叶片、轮盘和轮盖表面产生，当气流在叶轮内部由径向和轴向之间过渡时，边界层和主流区都受到非常强的哥氏力以及离心惯性力作用，从而在主流区周围产生二次流。用于分析和研究叶轮机械内部流动的研究方法主要有三种：理论分析、试验研究和数值计算。其中理论分析是最基本的研究方法，它能深刻地认识现象的本质规律，是试验研究和数值模拟的基础，在向心式透平叶轮内流研究方面，理论分析已从早期的一元流动发展到三元流动。实验研究通过对产品模型进行测试分析，能综合考虑影响流动的各种因素，。获得全面的气动性能参数，结果可靠，可信度高。但进行实验研究具有一定的局限性，如试验装置复杂庞大且制造成本高，研制周期长、工作量大、难以实现极端工作条件，试验手段受当时测试仪器发展等客观条件的制约，对流场的整体分析能力和对细微流动结构的辨析能力与实际要求还有很大差距。而用数值模拟方法来分析叶轮机械内部流动的细节，并以此作为设计和改进依据，可以大幅度提高设计效率并降低成本，而且由于不受诸多试验、测试、周期等条件的限制，基于数值模拟试验的设计方法越来越体现出其优越性。目前，利用c f d 能洞察叶轮机械内复杂的流动现象，甚至能够预见理论分析和试验研究中尚未发现的新的流动现象。近几十年来，随着计算机技哈尔滨f j ￥人学硕+ 学位论文术的飞速发展和数值方法的不断改进，已从二元势流、准三元流发展到全三元e l i l c r 方程原参数求解以及直接求解三元流理论。数值计算手段几乎渗透到了叶轮机械中的每一个研究领域，并不断地向实用化、商用化方向发展。1 。2 1 国内外研究状况就叶轮设计而言，d a m b a c h d i 等人揭示了向心透平中叶顶间隙大小对叶轮内流动的影响。d o m 【6 1 等人分析了一直径为9 9 o 盯m 的叶轮轮盖型线的设计对涡轮效率的影响。e b a i dmsy 1 7 j 等人提出了设计径流涡轮的一种一般方法，而s p e n c ，s t e p h e n w t 嗍则通过数值模拟的方法分析了叶轮叶片不同叶片进口角情况下对内部流场的影响。国内有关向心式透平的研究在有关单位和厂家的共同努力下，取得一定的进展。特别是近年来，研制出一些性能良好的不同用途的向心式透平。刘瑞韬、徐忠【9 】系统的介绍了半个世纪以来，径流式叶轮内部流动研究的特点。上海机械学院( 现上海理工大学) 的李燕生教授l l q 在向心透平研究方面进行了大量工作，出版了国内有关向心透平的第本专著，系统地总结了向心式透平的工作原理、设计方案、参数选择、热力计算和特性等，并根据作者近年所取得的成果，着重阐述了透平方案选择的优化技术及叶轮的设计方法，对于向心式透平的设计和研究具有重要的指导意义。西安交大的沈祖达、丰镇平和徐进峰等人对小功率径流透早内部的流动特性、分离特性以及叶轮进口型线的改型进行了深入的研剜”1 - “i 。邓清华等人通过数值计算的手段对微型燃机向心透平叶轮顶部间隙流动进行了分析，发现叶轮出口径向间隙流场参数变化剧烈，导致该部分问隙对向心透平总体性能的影响要比叶轮进口轴向间隙的影响大得多i t 6 1 。上海理工大学的戴韧 1 7 1 - 1 9 1 等人对整个向心透平，包括蜗壳、导叶以及叶轮的内部流动进行了具体的分析南京航空航天大学的温泉等人分析了一直径为3 5 m m 设计转速为1 5 0 0 0 0 r p m 的向心涡轮转子叶片通道中涡系的产生、发展过程以及分离形态的演变，在初步认识向心涡轮的流动规律之上。为向心涡轮转予的改进设计提供了理论依据1 2 u j 。7 0 3 所无锡分部的黄飞等人对向心透平叶片的造型方法也提出了自己的观点【2 i j 。国内其他单位，如北京工业大学、北京理工大学、清华大学、大连理工大学u z l - 2 4 1 、上海变通大学、上海内燃机研究所、铁道科学院，中科院工程热物理研究所、山西车用发动机研究所等和几个主要增压哈尔滨【群人学硕十学位论文器厂家等对向心式透平的研究工作做出了不少努力。但是我国向心透平的研究现状和生产技术水平与国外发达国家相比，仍存在着很大的差距。主要体现在：研究工作分散，财力物力不足，生产工艺落后，开发研制缺乏，因而总体水平较低。1 2 2 高压比、高效率径流叶轮机械的研究随着叶轮机械向高压比、高效率方向的不断发展，叶轮机械级内越来越多地出现跨音速流动现象。高压比跨音速叶轮机械内部流动十分复杂，效率和工作范围受到很大影响，因此高压比，跨音速叶轮机械的设计方法受到了更多关注。但目前的研究主要集中的轴流压缩机叶栅的设计，对径流式叶轮机械而言s e i i c h i i b a r a k i l 2 s 等人通过数值模拟与实验验证的方法对一进口马赫数达到i 3 的离心叶轮进行研究，e i s e n l o h r g i ”】对一高压比离心叶轮内部流动状况进行了具体的分析。国内王晓峰印j 对高压比跨音速离心压缩机叶轮设计方法及三维粘性流动进行了分析。赵晓路 2 9 l 、康顺1 2 9 p o i 等人对跨音速离一6 , n 气机叶轮内部流动进行了分析探讨，发现高压比叶轮流动中存在强激波系，叶轮入口附近的激波几乎涵盖整个叶高，并沿叶高方向逐渐增强，激波诱导边界层分离并使当地能量损失值增大。高压比离心叶轮多采用长短叶片结构叶轮，带分流叶片叶轮被广泛地运用于高负荷特别是跨音速离心压气机的设计中，这样有利于减少进口喉部阻塞，扩大工作范围，也为设计者优化叶片载荷分布提供了更多的可能。对于丈焓降、高负荷向心透平而占，为获得较高的流动效率，通常不采用跨音速叶轮，而是在设计过程中采用较小的反动度，充分利用导叶栅的膨胀能力获得超音速流，叶轮采用亚音速设计。r e i c h e r taw 1 利用实验与数值模拟相结合的方法对一向心透平跨音速导向叶栅设计了探讨，出口马赫数达到2 2 ，探讨了导叶栅内部流动的特点和损失分布。t j o k r a m i n a t a w d 3 2 1 等人对一高裁荷长短叶片结构的向心式透平反问题设计方法进行了深入研究，发现采用长短叶片结构可有效的改善内部流动状况。国内从事这方面研究的人不多，公开文献较少。随着叶轮机械向高压比、高效率方向的不断发展，高负荷、跨音速叶轮的研究将是热点之一。哈尔滨1 程人学硕十学位论文1 2 3 相关领域的借鉴和比较向心式透平作为径流式流体机械的一类，其发展是和该领域中其他径流式机械密切相关的，其中尤以离心式压气机提供了更多的经验和借鉴。从公开的文献可知，大多数先期工作都是在离心式压气机上展开到向心透平的。如三元流场计算于1 9 8 1 年便用于压气机叶轮的计算而在向心透平叶轮中直到1 9 8 8 才得以实现；压气机叶轮内第一个激光测速仪是在七十年代中期( 1 9 7 6 ) ，而用于向心透平叶轮则整整迟了1 4 年( 1 9 9 0 ) t 。但是，这种局面丝毫说明不了向心式透平的研究意义相对不大或不重要，相反留给向心式透平研究领域中更多的空白和突破的余地。1 3 径流式叶轮的设计方法径流式叶片( 三元叶轮) 的设计方法可分为两类0 3 】：一类是几何设计方法；另一类是气动载荷设计方法。几何设计方法主要是根据经验或几何参数之间的关系，直接或间接地给出叶片角度坐标的分布规律，然后经过一定的计算来获得叶片的几何形状：气动设计方法则根据给定的流动条件，通过求解气动方程而最终得到叶片几何形状的方法。1 3 1 径流式叶轮的几何设计方法几何设计方法主要有以下三种形式；第一种是在设计之前先假定叶片的几何曲线形式，例如单圆弧叶片、直叶片等 3 4 1 ，然后利用几何作图的方法设计出最终的叶片。比较常用的是直接把叶片按照非可展直纹抛物面的成型原理进行弯曲的方法，文献【3 5 】中提到的“双回转中心法”和“骨干成型法”均属于此类方法。文献 1 0 1 3 6 对其原理和思路作了比较详细的阐述，它的中心思想可简化为：首先，选定叶片成型的型线方程式，此处的型线指叶片与外圆柱面( 或给定平面) 的交线；其次，找出叶片腹、背弧面的旋转轴线；然后利用一根直线沿上述两条线移动，所得到的曲面就是设计的叶片型面。文献 2 1 1 1 3 7 3 8 提出的叶轮腹、背弧面的设计方法实质上都是这类成型方法的具体应用，它们的主要差别在于所给出6哈尔滨1 稃大学硕七学倪论文的抛物线方程( 即型线方程) 之百j 的区别，这主要耿决于设计经验和具体的设计条件。第二种形式是直接利用数学表达式来进行叶片型线的设计，把叶片型线用二次曲线或其它的形式来表示，使用二次曲线来表示叶片型线的一般表达式为：r o = 口r2 + 2 r z + c z2 + 2 d r + 2 e z + f( 1 一1 )式中r 、口、z 为叶片的圆柱坐标值，a 、b 、c 、d 、e 、f 均为待定系数，取决于叶轮进口角度和叶片的型线。比较常见的e e k e r d t 叶轮和k r a i n 叶轮都是采用这种方法进行设计的。随着设计、砖造水平的不断提高和曲线、曲面技术的进步，具有较好气动性能的8 e z i e r 曲线也被广泛应用于径流式叶轮的设计之中【3 9 1 4 0 1 。第三种形式则是首先规定沿轮盘、盖的气流角卢的分布规律，然后利用关系式间接地计算出盘、盖的型面坐标的设计方法1 4 1 1 【“。从上述这些方法可以看出，几何成型方法的优点是快速、简便，而且容易在叶型设计过程中考虑到简化加工的要求，所以目前在径流式叶轮的设计中还是一种比较常用的一种方法。但由于在设计过程中，往往难以兼顾到叶片的气动性能。由于径流式叶轮的内部流动相当复杂，所以使用该方法，除非有深厚的设计经验，一般很难设计出高性能的叶轮。1 3 2 径流式叶轮的气动设计方法在径流式的叶轮机械中，通道内的流动情况相当复杂，主流方向要实现轴向与径向的过渡，二次流在一定意义上不可避免。因此新代叶轮机械设计中，单纯从几何或加工角度考虑，已经显然不能满足要求，为了减少气动损失，正越来越多地采用气动设计方案，从叶轮内部流动特性的研究来分析具体的气动设计方法。目前，在先进的汽轮机通流部分的气动、热力设计中，已经形成了以准三维气动设计为核心，基于一维、准三维、全三维耦合计算的气动、热力设计方法m j 。设计过程中，为了避免正命题类方法的“反复试验”过程，人们对反命题类方法( 包括杂交类命题) 进行了许多研究，提出了若干种的设计问题和对应的解决方案。归纳起来，具体的设计问题主要有以下哈尔滨工程大学硕士学位论文几种命题l 4 4 1 ：1 给定叶片表面的速度( 或压力) 分布，求解叶片的几何形状；2 给定郝分叶片几何形状和速度分布求解其他未知几何形状；3 给定部分速度分布和叶片的厚度分布，求解叶片的几何形状；4 给定叶片的负荷或环量分布以及厚度分布，求解叶片的几何形状；第1 种命题称为反命题。从理论上分析，可以控制叶片表面边界层的发展，以期得到损失较小的叶型；但是，设计者一般很难事先给出确切的三维反问题求解的边界条件，因此该方法目前尚投有被广泛的应用。为了克服该种方法的限制，人们提出了一系列杂交命题的设计方法2 - 4 ，习惯上称2 为a 类杂交命题；3 为c 类杂交命题；4 为b 类杂交命题。针对径流式叶轮气动设计的具体情况，目前主要集中于第4 种气动设计问题，它们分别对应于两种代表性的方法：一种方法是j a n s e nw 提出的“叶片载荷法”，他于1 9 7 5 年公开发表的“离心式压缩机叶轮叶片设计”一文1 4 5 1 中首次提出了通过控制叶轮内流场来设计扭曲叶片的方法，改变了以往利用手工做图或纯数学法构造叶片的方法。由于该方法在设计叶片几何形状时能自由地控制叶轮内l 至2 根流线上的气体的流动，很快为世界许多厂家所采用。另一种方法则是“全可控涡法”的气动设计思路。苗永淼、王尚锦m 】在j a n s e n 设计思想的基础上，利用流线曲率法反问题的公式解决径、混流式三元叶轮扭曲叶片的设计问题，并逐步建立了通过对叶轮内全流场的控制来设计叶片的“全可控涡”设计方法。该方法突破了一元流动设计的近似假定，采用与真实流动更接近的物理模型，目前该方法已经推广到工程界，并已经取得了显著效果p 1 【4 8 】。1 8 3 几何设计与流动分析的迭代设计近年来，随着c f d 技术的不断发展，叶轮内的三元流动分析有了长足的发展，在求解 卜s 方程( r a n s 方程) 的基础上，通过试凑、改进初始叶型，建立设计目标与流动计算结果之间的反馈机制，采用求解相应的方程和不断修改叶片的几何形状相结合的方法，直至逼近最终的目标为止，这实质上就哈尔滨工程大学硕士学位论文是几何设计与流动分析的迭代设计。例如目前比较成功的有n u m e c a 公司开发的叶轮机械设计模块d e s i g n 3 d 、t q d a n g 教授设计的用于正反问题的i n v 3 d 设计软件等。1 4 本文研究内容本文主要对一3 0 0 k w 跨音速单级向心式汽轮机进行气动设计分析，结合给定的主要参数发现，汽轮机单级膨胀比为4 1 7 ，级支配焓降达到2 4 8 5 k j ，为保证较高的效率，导叶栅出口绝对马赫数设计值达到1 3 5 。本文工作主要分四个部分：第一部分主要是根据给定的主要技术参数。通过一维设计的方法初步确定导叶栅、叶轮通流部分主要的气动参数和几何参数。第二部分是根据一维设计确定的主要参数初步确定导叶栅和叶轮的造型。第三部分是对初步确定的叶型进行数值模拟分析，重点分析了导叶栅内跨音速流动的特点，并对叶轮一些结构参数对整级性能的影响进行探讨，得出一些优化准则。第四部分是对初步确定的叶轮进行改型分析。通过采用长短叶片结构对叶轮进行了改进，分析其对整级性能的影响。并进一步分析了短叶片长度及放置位置对级性能的影响。第2 章向心汽轮机热力设计本章根据提供的主要技术参数，通过一维设计的方法初步确定整级通流部分的主要气动参数和几何参数，初步确定通流部分的形状。目前国际上商用的向心式汽轮机的功率最高可达5 0 0 0 k w ，进汽参数最高约6 4 m p a 、4 5 0 。g背压范围为0 1 2 - 1 6 m p a ，删2 0 0 0 0 - 4 6 0 0 0 r p m t l l 。【4 】，表2 1 为德国k k k公司生产的c f r 系列向心式汽轮机的有关数据。表2 1 德m k r k 公司向心式汽轮机主要技术参数参数单位c f r 5 g 4c n u ( 3 4c f r 5 g 3c f r 5 g 3进气量v h1 0i o1 01 0初压m p a1 2 7 51 2 7 5 1 2 7 51 2 7 5初温2 8 02 8 02 8 02 8 0功率k w8 l o8 6 05 2 04 0 0背压m p ao ，1 20 20 30 4排气温度1 0 51 4 71 6 41 8 6重量( 连发机)t7 06 85 75 5总长度n l3 73 73 73 7工厂交货期月l l“l l1 1中国海港c i f 价格万马克5 i 55 0 44 8 34 6 2表2 2 我m x q 系列b o 4 1 3 5 型向心式汽轮机主要技术参数参数单位x qb 0 4 1 3 5进汽压力( 绝对)m 【p a1 2 7 5进汽温度3 0 0排气压力( 绝对)m p a0 4 9排汽温度2 1 0汽轮机转速r p m2 5 0 0 0齿轮箱输出轴转速r p m3 0 0 0总重量( 不包括发电机)t5总尺寸( 连发电机)m3 4 x 2 5 x 2 2哈尔滨啊鼋大学硕士学位论文2 1 向心汽轮机总体参数设计参照当前国内外向心汽轮机的发展水平和具有的制造技术，结合给定的主要技术参数，计算时选定的基本参数为：目标功率：3 0 0 k w流量；6 t h进口总压；1 2 5m p a进口总温：4 6 6 k出口总压：0 3 i v l p a设计转速：1 5 0 0 0r p m透平采用单级，绝热效率不低于8 5 。2 2 设计方案的确定在向心汽轮机中所使用的工质是可压缩和具有一定粘性的蒸汽。透平中气体流动情况十分复杂具有强烈的三维的性质。直到目前为止，人们还无法给出此流动的精确的数学模型。为了简化向心透平的分析与计算工作，一般在设计的初始阶段和在热力计算中，将透平中的气流看成是轴对称，绝热、无粘性的一元稳定流动，有时还会忽略工质的定压比热c j 和比熟比k 随温度的变化而将它们取为常数。一元流动分析的目的是为透平的三元气动分析和设计提供所需的参考数据。在向心透平的整个研制过程中，第一阶段的工作就是确定向心透平的设计方案。即设计者根据给定的初始数据以及一些具体的要求选择出或计算出向心透平主要的气动参数和几何参数。实际上，对于所设计的向心透平所提出的要求往往是多方面的。其中既有经济方面的f 例如效率、制造成本等) 要求，也有尺寸、结构以及工艺材料方面的要求。在这些要求之间经常存在一些矛盾。只有选择合适的设计参数，才能满足各方面的要求。确定向心透平设计参数的方法很多，大致可以分为三类：比较法、最佳速比法和筛选法l l q 。最早出现的是比较法。在确定透平设计参数时先给出若干个反动度口、轮径比d ：，叶轮入口绝对气流角4 ，和叶轮出口气流角历等参数。有时导向装置速度系数及叶轮速度系数伊也要取几个不同的数值。将这些参数交哈尔滨1 | 程人学颐七学位论文叉地组成若干个组，对每个组再给出一系列速比船逐一计算各个方案的轮周效率札，分别画出各组的_ ，一筋曲线。从中选出几个轮周效率较高的方案并进行详细的热力计算。最后选择一个结构和气动参数都比较合理的方案作为初步方案。这种方法很落后，费时多且具有很大的盲目性。显然这是一种比较落后的方法。他的致命的缺点就是方案的选择具有很大的盲目性a 根据这种方式确定设计方寨需要竞成很大的工作量。为了减少计算与分析的工作量，许多透平理论工作者试图以解析的方法来确定向心透平的速比、反动度等主要设计参数。这类方法的共同特点，就是设法通过数学分析来求得与最高轮周效率相对应的托及口。“零尾涡”和“比转速分析法”都属于这类。从获得最高轮周效率的观点来看，这种求最佳速比的方法优于比较法。它的主要缺点是仍将获得最高的q 。当作选择向心透平托与口的唯一依据，丽没有考虑其它方面的要求。结果是根据这种方法确定的设计方案有时往往很不合理( 例如叶轮入口冲角过大、叶轮流道内出现较大的扩压、，甚至在结构上无法实现( 例如叶轮出口根径过小1 。正确选择向心透平设计方案的方法，应当不仅能在“纸面上”保证透平获得最大的轮周效率，而且能在兼顾多种设计要求的基础上获得较高的轮周效率。如前所述，其中某些要求有时是相互矛盾的。换而言之，选择一个向心透平设计方案的过程往往是一个统筹兼顾所提出的各种具体要求，妥善处理各种矛盾的过程。而最后得到的结果多是某种折衷的结果。筛选法在一定程度上克服了前两种方法的盲目性和片面性。在选择乜与臼的数值时，除了考虑轮周效率外同时还考虑了气动、强度、结构等方面的要求，并详细地分析了透平压比轧马赫数尬。、冲角i ，、w 加f 、轮盘材料许用应力【川和透平转速等因素在确定以与臼的数值时所起的限制作用。所提出的方案越多、越具体，选择方案的自由度越小。使用这种方法可以迅速地筛除大量方案，虽然其中有些方案具有很高的效率。经筛选后所余留下来的方案都将符合所提的那些设计要求。这样一来，就得到了一个方案的合理选择区。然后，从此区中选出效率最高的方案作为向心透平的设计方案。用这种方法确定出来的方案必将是切实可行的，充其量只需要进行局部的修改与调整，完全能够防止出现较大的返工。筛选向心透平方案的工作可以通过计算机完成，将大大地提高方案选择的效率。手算时方案的选择可以在事先绘成的屁与臼闰和一些辅助线图上进行，又称为图解解析法。哈尔滨j l 程大学硕七学位论文2 2 1 导叶栅方案的选择工质进入向心透平后先在导向装置中膨胀加速，然后再流入叶轮、驱动叶轮旋转做功。到导向装置的主要作用是使工质所具有的能量能够高效的转换为动能，并保证工质在叶轮的入1 3 截面上能够获得所需的流速。和流动方向毋。i a l 的选择口，对导叶高度和叶轮入口的相对叶高r 的数值有很大影响。在合理的数值范围内采用较小的a l 可以提高。一般：砺= 1 矿- 2 0 0 ，在个别的情况下也曾使用过更小一些的口，。从理论上讲，只要降低m ，就将一直增高下去。但是实际上并不是这样。采用过小的口j 。有时反而引起透平效率的下降，因为此时的流动损失尤其是其中的尾迹损失随着口，的减小而增大l “。除了效率之外，叶轮入口气体的流动状况也和口，的数值有着密切的关系。在给定的口汲相对气流角芦，下，为了防止脱流出现，叶轮的叶片数五应大于某一确定的z m 。选择过少的叶片数，在叶轮的入口可能出现局部的脱流，叶轮入口损失相应出现【1 0 1 。z 矿鬻刚，最后还应指出的是，有时设计方案中的d ，主要是由所需的叶轮入口通流能力决定的。降低口，可以增大f 和导叶栅的出口叶高厶。在给定的容积流量g 净j 下，叶轮入口的叶高决定于叶轮入口的阻塞系数l 、透平的部分进气度r和气流角，即：i 譬斋( 2 - 2 ) d1所il f o f s i n 吼2 透平压比而和导向装置出口气流马赫数蝎，的限制这两个参数实际上决定了向心透平反动度的选择。在相同的设计水平下，亚音速导向装置的气动性能要比超音速导向装置的气动性能好一些，所咀应尽量将m i , 控制在1 以下。在使用亚音速导向装置时，一般有如下的气动规律：当尬，较小时雷诺数较小，气体的牯性作用较强；随着 而，的增加导向装置中的能量损失系数f 逐渐下降；当m ，达到某一数值时，例如尬尸0 7 - 0 9哈尔滨i 。样人学硕十学位论文时，( 值最小。由此可知，在设计向心透平的时候，应根据所选用的叶型及该叶型导向叶栅的实验资料，确定向心透平肠，的使用范围。当决定用超音速导向叶栅时，也应按照它的气动性能曲线确定导向叶栅出口的肘“数值，使导向叶栅中的能量损失控制在最低的水平。由此可知，在选择设计方案中的口时，必须事先考虑再和 开，所表现出来的这种约束作用l l u 】。即应该按而及准备采用的最大 如，确定最小的q 。；根据最小的晒，确定q 。，使设计方案的反动度处于此范围中；l m s 臼s 鼠。3 导叶栅的速度系数口在向心透平的导叶栅中，一般速度系数的值大约处于o 9 5 0 9 7 范围内。它的具体数值与设计方法、制造质量以及出口马赫数有关。当设计或者制造比较耜糙时，速度系数的值可能降低到o 9 2 - 0 9 5 的水平甚至更低一些l l w 。4 z 的选择根据预选好的叶栅进、出口直径d f 和d 2 ，以及根据叶型的安装角已确定的弦长b 所选的相对栅距( 不难求出栅距和所需的导向叶片的数目：z n ：粤( 2 - 3 )0 0式中岛为导叶栅出口直径。将z 。圆整成整数，比较乙和z ，两者之间最好无公约数，磊和乃的比值一般处于1 2 - 1 6 之间l l q 。5 导向叶栅结构参数z 。尼的选取其值一般在o 2 - o 4 5 的范围内选取i i o l 。本文所设计汽轮机由于容积流量甚小，导致拍较小，豹为0 卜0 2 ，可能对流动效率有较大影响。6 环状径向间隙r 的选取在设计的过程中，我们晟为关心的是其相对值；石= 告= 佤叫= ；蟹- d)五一般在0 0 4 - 0 0 8 之间【”。适当增大径向间隙，可使透平的噪声明显下降。就减弱导叶冲蚀现象而言，出具有更为重要的作用。在很多情况下，径向间隙的数值实际上不是根据效率，而是根据防止导叶严重冲蚀的需要确定的“。7 导向叶栅进口直径玩的确定其值般为叶轮入口直径d ，的1 2 5 - 1 5 倍之间【l 哪i 。，；。；。堕垒鎏：鹜墨茎霉圭：堡鲨兰。2 2 2 叶轮方案的选择叶轮是整个向心汽轮机的核心部件，设计方案选择的好坏直接影响到整级的性能。1 叶轮入口冲角f ，的限制作用试验表明，如果设计失当则在叶轮流道的全部能量损失中入1 3 冲击损失要占很大的比例，这项损失的大小主要决定于冲角i ，。选择一定范围内的负冲角，可使向心透平叶轮中的流动条件得以改善，一般要好于正冲角的情况。对此，r o h l i k 认为由于叶轮叶间流道中惯性环流的影响在叶轮的入i u 诸流线均朝吸力面偏移。当采用正冲角时，在靠近动叶前缘的吸力面上极易出现脱流。从而引起附加的能量损失。相反，当采用适当的负冲角时，叶轮入口的流动条件获得改善。一般将设计工况下的入口冲角n 的数值控制在：打一l o o l - _ 5 0 。最大也不应超过：i j 一2 0 0 一1 0 。【。2 叶轮气流加速因子的限制作用一元流动分析方法不能涉及叶轮流道的整个流场，但可以就叶轮进口与出口之间的气流速度的变化提出一些起码的要求。向心透平叶轮出口的平均流速耽应当大干它的入口的平均流速w ，。如果耽小于w j ，从总体上讲时轮流道中的流动将具有扩压性质。因此，叶轮的加速因子弘= m _ 1 ，i 必须大于l 。从效率的角度来讲，应当尽量将向心透平叶轮的加速因子必控制在1 1 7的范围内。如果选用过大的必值会使向心透平级的余速损失和叶轮流道中的能量损失明显增大。当p 值超过2 2 - 2 4 之后，向心透平的轮周效率己经很难超过8 5 一8 6 了i i o 。3 速比艺的选择向心透平的结构与经济性在很大程度上取决于它的数值。在其它参数完全确定的条件下，如果速比选择不当，所设计的向心透平不可能具有较高的效率。无论在向心透平的设计还是实验中，速比都是一个重要的参数。一般，速比的最佳范围为0 6 0 - 0 7 5 w l 。4 叶轮的外径d j叶轮的外径d ，对于向心透平而言是一个非常重要的结构参数。它决定了整个透平的轮廓尺寸与重量，同时也决定着透平主要构件的加工工艺和所需的加工设备。在设计一台向心透平时，虽然其d ，可以在一定的范围内变动。但是它的数值主要决定于流过透平的工质的流量：哈尔滨1 2 程大学硕士学位论文b = 鼯( 2 - s )如果d ，定得不够恰当，必将获得过大或过小的相对叶高i 。向心透平叶轮的i 的大致的范围；i = o 0 2 0 1 7 。5 一些结构因素的限制在设计向心透平时，由于一些条件的限制，透平的某些结构参数的数值不能任意选择或者只能在一定的范围内变化。例如向心透平叶轮的外径研一般也受到来自透平轮廓尺寸以及工质流量方面的限制。除此之外，轮盘材料的机械性能、工质的焓降等因素，在确定向心透平的转速方面或速比乜的工作中也将表现出明显的约束作用。本文所设计的向心汽轮机功率为3 0 0 k w , 单级，压比为4 1 7 ，级支配焓降达到2 4 8 5 k j 。由于所设计的汽轮机工质的客积流量较小，采用了适当的部分进气度来增加叶轮入口叶高，和降低叶轮转速 。根据以上各个参数和设计准则，利用e x c e l 宏命令编程的径流式汽轮机计算程序，结台经验参数，最后初步确定设计方案如下：表2 3 向心级热力设计参考方案参数名称符号单位参数设计值流量gk 曲1 6 7叶轮转速以r p m1 5 0 0 0反动度口o 2叶轮入口直径d 14 5 0轮径比b0 4 5导叶栅进口处直径d on l m5 6 4 7 5导叶栅出口处直径d nm m4 7 2 5导叶栅出口叶片宽度厶m m7 9 8叶轮入口叶片高度，n 衄8 4 4叶轮出口高度厶m m3 2 4环状径向相对间隙一a ro 0 2 5导叶栅速度系数0 9 5叶轮速度系数o 8 5导叶栅出口绝对气流角n j1 2哈尔滨下稃大学硕十学位论文导叶栅进口相对气流角b i2 8 2 1叶轮出口相对气流角角8 22 5叶轮出口绝对气流角a 26 4 8 l导叶栅叶片数乙2 9叶轮叶片数z i1 7导叶栅出口绝对马赫数值m l t1 3 5速比z 。o 5 1叶轮入口圆周速度h jm s3 5 3 4 3叶轮出口处平均圆周速度蜥m s1 5 9 0 4叶轮入口处相对马赫数m 0 5 9叶轮出口处相对马赫数地，0 5 l导叶栅出口绝对速度c im l s5 9 8 4 3叶轮出口绝对速度臼m s1 0 4 7 9部分进气度，o 4等熵效率节0 8 7功率 rk w3 3 82 2 3 工作叶轮强度初步校核在高速旋转的透平轮盘中，除了热应力之外还产生了由离心应力引起的机械应力。半开式叶轮内部的最大机械应力与其轮周速度，的1 5 - 2 次方成正比l i