【摘要】：我國船用低速柴油機產(chǎn)業(yè)近幾年實現(xiàn)了快速發(fā)展,但船用低速柴油機機技術長期依賴進口,導致缺乏自主研發(fā)能力,與國外先進水平還有較大差距,因此國家啟動“船用低速機創(chuàng)新工程”計劃,以期提高船用低速柴油機及配套部件的自主研發(fā)能力,渦輪增壓器是低速機的重要配套部件,高效高壓比設計是未來船用柴油機渦輪增壓器的發(fā)展趨勢,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)流場更加復雜,流場內(nèi)會出現(xiàn)跨聲速流動,因此開展大膨脹比跨聲速渦輪的高效設計理論、設計方法以及改善其性能方法研究是國內(nèi)外格外關注的熱點,本課題依托“船用低速機創(chuàng)新工程”開展船用增壓器大膨脹比軸流渦輪的氣動設計及優(yōu)化研究。首先,本文研究了大膨脹比渦輪子午擴張通流與子午無擴張通流設計特點,在子午無擴張通流條件下研究并構建了流量系數(shù)、載荷系數(shù)和反動度的選取規(guī)律,探討了渦輪葉片可控渦扭曲設計規(guī)律,并針對葉片徑向出口馬赫數(shù)寬范圍變化的特點,研究了葉片流道的布局形式。結(jié)果表明:動葉子午無擴張通流導致葉片膨脹能力和出口馬赫數(shù)增加,進而增加了激波強度,且增加了出口余速損失,從而降低了渦輪性能;對于徑向出口馬赫數(shù)橫跨1.3的跨聲速葉片,縮擴流道與漸縮流道混合設計能改善渦輪性能,提高渦輪效率。針對縮擴流道與漸縮流道混合設計的跨聲速葉片,深入研究了縮擴流道喉部位置和縮擴流道徑向分布范圍對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,無遮蓋段形成多道激波,中徑激波強度降低,徑向馬赫數(shù)分布的變化使級反動度徑向分布更加不均勻,而縮擴流道徑向范圍增加,葉根逐漸由多道激波結(jié)構變成激波與反射激波結(jié)構,縮擴流道分布在馬赫數(shù)大于1.2的徑向范圍內(nèi)即0%~30%葉高范圍的流動損失更小,分布區(qū)間更為合理。在此基礎上,從流場內(nèi)部流動損失精細化控制角度開展了葉型激波損失與二次流損失控制研究,研究指出:控制葉片型線并降低尾緣偏轉(zhuǎn)角改善了喉部與無遮蓋段型線曲率,從而降低了葉根內(nèi)尾波與反射激波強度,并改變了中徑激波結(jié)構,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,而對于二次流損失控制,凹曲率端壁型線設計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設計參數(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)部流動損失控制方法及渦輪設計方案等,可為船用增壓器大膨脹比渦輪研制提供一定參考。
【圖文】：

哈爾濱工程大學碩士學位論文的影響規(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]也對膨脹比 3.8、載荷系數(shù) 2.5 的渦輪進行渦輪效率為 81.4%，Willianmson 認為，高載荷系數(shù)和高膨脹比導致大并且流道內(nèi)的氣流流速過快，并且動葉片內(nèi)存在激波損失，引起，因此使得渦輪效率較低。Woinowsky-Krieger 等[11]測試了膨脹比的渦輪在非設計工況下的性能，最后得出在設計膨脹比工況下，渦到 80%轉(zhuǎn)速時，渦輪效率下降大于 4%，三維數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)A/GE[12]還對超高負荷渦輪開展了相關研究，研究結(jié)果表明單級高壓達到了 5.5，渦輪負荷提高了 33%，效率比現(xiàn)役渦輪高出 2%，NA輪進行了優(yōu)化設計與分析，有效降低了高負荷渦輪內(nèi)的激波損失（圖

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

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