【摘要】：隨著技術(shù)的發(fā)展,更小單機(jī)質(zhì)量、更高性能的向心透平成為國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。由于向心透平內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,要想設(shè)計(jì)出高性能的向心透平,就必須對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行深入研究。同時(shí),為了降低單機(jī)質(zhì)量,縮減透平級(jí)數(shù)、增大向心透平單級(jí)膨脹比成為設(shè)計(jì)者們關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一。本文以四級(jí)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(jí)數(shù)減少一級(jí),在保證功率和效率的前提下,完成了三級(jí)向心透平的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。級(jí)數(shù)減少后,向心透平單級(jí)膨脹比增大,常規(guī)靜葉無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求,所以在第一級(jí)采用縮放噴管來(lái)獲得超音速氣流。以一維預(yù)期結(jié)果為依據(jù),通過(guò)數(shù)值計(jì)算評(píng)估了向心透平的三維氣動(dòng)性能,結(jié)果顯示,縮放噴管出口馬赫數(shù)接近一維預(yù)期值,所設(shè)計(jì)的向心透平軸端功率達(dá)到589k W,相對(duì)內(nèi)效率達(dá)到63%以上,基本滿足設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的合理性。本文通過(guò)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(duì)向心透平的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果顯示,葉頂間隙的存在使流體從葉片壓力側(cè)泄漏向吸力側(cè),并在吸力側(cè)產(chǎn)生泄漏渦,對(duì)流動(dòng)造成影響,使距離頂部10%葉高范圍內(nèi)的氣流出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)不足的現(xiàn)象,并且隨著頂部間隙增大而表現(xiàn)的更加強(qiáng)烈。同時(shí),頂部間隙高度增加時(shí),泄漏流量逐漸增加,導(dǎo)致葉片負(fù)荷降低,尤其是對(duì)葉展中部以上范圍內(nèi)的葉片負(fù)荷影響較大。從損失的角度來(lái)看,葉頂間隙存在時(shí),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(dòng)損失增大。此外,研究還發(fā)現(xiàn),對(duì)向心透平而言,徑向間隙對(duì)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(shè)置了變高度分布的頂部間隙,結(jié)果指出,變高度分布的頂部間隙有助于降低泄漏損失。通過(guò)對(duì)齒形汽封內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬,分析了汽封腔室內(nèi)的渦系結(jié)構(gòu),并且研究了泄漏流量及摩擦損失隨著轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明,氣流在汽封結(jié)構(gòu)內(nèi)流動(dòng)是由若干個(gè)節(jié)流過(guò)程組成的,壓力呈現(xiàn)階梯式下降的趨勢(shì),而速度則逐漸升高。各個(gè)汽封腔室內(nèi)產(chǎn)生的旋渦結(jié)構(gòu),對(duì)氣流產(chǎn)生了耗散作用,有助于阻止泄漏。隨著向心透平轉(zhuǎn)速的增加,間隙泄漏流量增大,在一定范圍內(nèi),當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min增加到15000r/min時(shí),泄漏流量增加了80kg/h,總體來(lái)看,增加幅度較小。而摩擦損失隨著轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)出近乎線性增大的趨勢(shì)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK14
【圖文】：

第 1 章 緒 論及研究意義功率、高速性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于國(guó)民電、航海、航空航天、地面動(dòng)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(jié)構(gòu)上的特?fù)p失做功。因此，向心透平具有單級(jí)做功能力大及結(jié)構(gòu)緊湊[1]，如今，在很多小功率、小空間場(chǎng)合中的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，如圖 1.1 所示，主要由渦輪靜子葉和無(wú)葉兩種形式，其部件包括蝸殼和噴嘴環(huán)，一蒸汽進(jìn)入動(dòng)葉時(shí)的速度大小和方向[2]。高溫高壓的進(jìn)入進(jìn)氣管，在靜葉柵或者無(wú)葉導(dǎo)向裝置中膨脹后的氣流進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉流道內(nèi)繼續(xù)膨脹做基本特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。

上世紀(jì) 50 年代之前，由于對(duì)流體力學(xué)的認(rèn)知水平和電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力制，向心透平的設(shè)計(jì)方法基本是基于經(jīng)驗(yàn)的一維設(shè)計(jì)理論。隨著三元流動(dòng)理論展和電子計(jì)算機(jī)的不斷進(jìn)步，向心透平設(shè)計(jì)理論也得到顯著發(fā)展，逐漸衍變成、三維設(shè)計(jì)方法，但合理的一維設(shè)計(jì)仍是高效向心透平設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。上世紀(jì) 60 年代，NASA 劉易斯實(shí)驗(yàn)室開展了一系列工作，研究了向心透平設(shè)影響因素，例如葉頂間隙尺寸、葉片載荷及比轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)向心透平的影響規(guī)H. E. Rohlik 等人[11]通過(guò)一維理論分析并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)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(duì)比轉(zhuǎn)速變化的影響，包括葉輪進(jìn)、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(shè)計(jì)了一套 FORTRAN 程序，設(shè)計(jì)者輸入進(jìn)口溫度、壓流量以及做功等參數(shù)，通過(guò)改變?nèi)~輪進(jìn)出口半徑比、導(dǎo)葉出口氣流角等幾何參程序會(huì)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(jì)算程序，將靜葉和動(dòng)葉內(nèi)的損失分別用靜葉速度系數(shù)和動(dòng)葉速度系示，然后應(yīng)用連續(xù)性方程和角動(dòng)量守恒方程計(jì)算向心透平的參數(shù)。他們將計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)吻合良好。

上世紀(jì) 50 年代之前，由于對(duì)流體力學(xué)的認(rèn)知水平和電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力制，向心透平的設(shè)計(jì)方法基本是基于經(jīng)驗(yàn)的一維設(shè)計(jì)理論。隨著三元流動(dòng)理論展和電子計(jì)算機(jī)的不斷進(jìn)步，向心透平設(shè)計(jì)理論也得到顯著發(fā)展，逐漸衍變成、三維設(shè)計(jì)方法，但合理的一維設(shè)計(jì)仍是高效向心透平設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。上世紀(jì) 60 年代，NASA 劉易斯實(shí)驗(yàn)室開展了一系列工作，研究了向心透平設(shè)影響因素，例如葉頂間隙尺寸、葉片載荷及比轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)向心透平的影響規(guī)H. E. Rohlik 等人[11]通過(guò)一維理論分析并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)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(duì)比轉(zhuǎn)速變化的影響，包括葉輪進(jìn)、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(shè)計(jì)了一套 FORTRAN 程序，設(shè)計(jì)者輸入進(jìn)口溫度、壓流量以及做功等參數(shù)，通過(guò)改變?nèi)~輪進(jìn)出口半徑比、導(dǎo)葉出口氣流角等幾何參程序會(huì)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(jì)算程序，將靜葉和動(dòng)葉內(nèi)的損失分別用靜葉速度系數(shù)和動(dòng)葉速度系示，然后應(yīng)用連續(xù)性方程和角動(dòng)量守恒方程計(jì)算向心透平的參數(shù)。他們將計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)吻合良好。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2759964