高压压气机转子结构设计及改进方法

为提高设计效率并快速得到适于工程应用的高压压气机转子结构，以改型设计方法为基础对某高压压气机转子结构进行了详细设计，同时对结构改进方法进行了一定的探索。采用叶—盘耦合系统循环对称结构算法及整体转子系统二维轴对称结构算法进行强度设计及改进，前轴颈最大应力下降最多达26%；其次进行支承结构设计，计算校核母型机轴承承载能力。结果表明：轴向力安全裕度最小为28%，轴承寿命大于100 000 h；给出2种调整鼠笼厚度的估算方法用以指导三维有限元计算，同时计算得到前支承刚度；通过二维有限元分析模型计算转子的临界转速，仅将后轴承支承位置沿压气机轴线向后移动7.5 mm，全运行工况转速与第2阶临界转速的安全裕度由18.5%提高到21.2%。     

基于响应面的涡轮交叉肋气动和传热特性研究

提高涡轮进口温度是有效提升燃机热效率的重要途径,交叉肋冷却结构因其冷却效率高、冷却气体用量少的特点受到广泛关注。本文按照采用响应面设计方法得到的曲面优化设计方案,对某型涡轮叶片局部交叉肋冷却结构流道进行数值模拟,分析了肋宽与肋间距以及肋片倾斜角度对交叉肋通道换热与流阻特性的影响,结果表明：肋倾角小,肋宽与肋间距之比大,雷诺数小的方案换热能力更强,雷诺数高的方案的阻力损失更大;肋倾角大,肋宽与肋间距之比小,雷诺数小的方案综合换热效果更好。此外,结合响应面方法获得了该局部位置交叉肋的气动和传热性能的预测公式。三组回归预测方程的预测值与数值模拟值的平均误差分别为3.7%、6.5%、4.6%,一定程度上为后续交叉肋结构的优化设计奠定了基础。     

某船用汽轮机高压级改型设计及静叶试验

为提高汽轮机高压级流动效率,对某船用高压汽轮机末三级进行了静叶及子午流道改型设计,通过改变叶栅的气动负荷分布以及子午流道形状来实现机组性能的改善.应用全三维粘性数值模拟分析了改型前后机组性能的变化以及流场的特点.对比数值模拟结果可以发现,改型设计不仅消除了静叶外端壁附面层的分离,同时使得各列静叶吸力面最低压力点后移,从而有效地降低了叶栅二次流损失.最后对改型前后的静叶进行了平面叶栅气动性能试验,试验结果表明改进后的叶型不仅缩短了吸力面出口逆压梯度段的长度,还有效地提高了叶栅攻角适应能力.     

某大型舰船主汽轮机的建模与动态仿真

以某大型舰船主汽轮机为研究对象,充分考虑了舰船主汽轮机的结构特性,针对舰船主汽轮机特性建立集总参数动态仿真数学模型,在SimuWorks热力系统平台上,搭建相应仿真模型。对主汽轮机进行稳态工况和加速、减速及倒车过程的全工况动态仿真。仿真结果表明,模型具有较高精度,高速工况下偏差在2%以内,动态趋势合理,能准确反映出部件实际工作状态。该仿真模型可以应用于舰船动力系统的仿真。     

可控涡设计高负荷涡轮二次流旋涡结构及损失分析

采用雷诺平均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,对可控涡设计的1.5级高负荷亚音速试验涡轮进行三维黏性数值模拟,对叶栅内旋涡发展和损失机制进行全面研究和分析。数值研究表明,在高负荷涡轮动叶栅内,马蹄涡吸力面分支到达吸力面之后并没有消失,而是和压力面分支相交,并一起向下游发展,其位置始终处于压力面分支下侧,紧贴吸力面端部附近,并没有发生相互缠绕作用。受动叶栅通道内强横向压力梯度作用,端壁附面层从压力面侧直接被推向了吸力面侧,所形成的通道涡没有发生强烈的旋涡运动,位置始终限制在叶栅吸力面端壁附近的狭长区域内,呈片状涡结构。低能流体继续向吸力面角隅内运动和堆积,并向展向扩展,与主流发生强烈的掺混作用,损失急剧增加。因此,提高高负荷涡轮级效率的关键在于提高动叶性能。     

某燃气轮机低压压气机加级设计方法研究

以某燃气轮机低压8级压气机为母型,开展加零级改进设计。通过对母型机进行分析,合理地选取匹配点,对压气机零级进行了一维、二维气动设计,最后对零级压气机叶片进行三维造型。数值结果表明:新设计压气机在设计转速7 450 r/min下,流量为123 kg/s,总压比为6.125,等熵效率为88.3%,喘振裕度为32.8%,达到了设计指标;新设计零级与母型机流场匹配较好;通过对压气机变工况性能进行分析,各主要运行工况喘振裕度满足10%设计要求。     

1.5级亚音速试验台透平设计木

在可控涡设计的基础上,发展一种粘性可控涡设计思想,通过熵沿径向梯度的变化来考虑粘性及由此产生的二次流等复杂因素对涡轮作功的影响,并应用于1.5级亚音速试验透平设计。根据粘性可控涡设计结果对叶片进行参数化造型,所获得的叶片具有变截面扭叶片等特性,同时导叶和静叶采用后加载叶型设计规律,可满足试验涡轮变工况需求。采用粘性数值模拟对透平进行气动分析,数值结果表明,透平流动较好,动静叶匹配,主流区无大攻角无分离流等现象,具有较高的效率,满足试验台的各种要求。实践证明,该设计方法简单易用,可快速获得性能较好的叶片。建立以可控涡设计、参数化造型和粘性数值模拟为核心的轴流透平设计体系。     

跨音速级压气机湿压缩数值研究

湿压缩技术是能够提高燃气轮机性能的一种经济有效的手段。文中采用CFX软件,选择k-湍流模型,利用安托万方程求蒸汽饱和压力,对跨音速一级NASAStage35进行进口加湿湿压缩数值模拟研究。模拟结果表明,当此跨音速压气机运行在靠近失速边界的一段范围内,湿压缩可使其性能提高,而对于靠近阻塞边界的一段范围内,湿压缩却降低了压气机各个性能参数;当压气机运行在设计工况时,在进口喷入较小颗粒尺寸的水滴可降低比压缩功、提高压比及流量并缩小激波后低能流动区域,而在进口喷入较大颗粒尺寸水滴却降低了压气机各性能参数,整个流场也并无改善。     

一种基于全三维数值计算的多级轴流压气机喘振边界预测方法

提出一种基于全三维数值计算的多级轴流压气机喘振边界预测方法。该方法采用了NUMECA和ANSYS/CFX两种不同的商业软件,在充分考虑压气机几何结构特征的基础上,根据压气机各级叶片排结构特点,建立了通用的压气机叶片排网格拓扑结构,并从各个方向对压气机叶片排网格节点进行控制来保证压气机叶片排各向网格节点一致。对不同负荷类型、不同结构型式的压气机特性进行了算例分析,并就流量、压比和效率等压气机特性参数进行对比研究。结果表明:该喘振边界预测方法对不同压气机具有较高的适用性,计算结果与试验结果也比较吻合。