舰船燃气轮机变几何动力涡轮通流特性的数值研究

基于叶轮机械三维粘性值模拟技术,本文研究了一个舰船燃气轮机四级变几何动力涡轮的通流特性及其气动性能,并分析了它的主要气流参数随可调导叶转动的变化规律。结果表明,可调导叶级的通流特性将决定整个变几何动力涡轮的气动性能。关小导叶可导致可调导叶级动叶处于较大正攻角而引起吸力面分离流动;反之,开大导叶导致相应的较大负攻角造成压力面分离流动。然而关小导叶引起的吸力面三维分离涡流场将导致变几何动力涡轮的效率更显著的下降。

舰船燃气轮机变几何动力涡轮三维粘性流场的数值分析

基于耦合求解可压缩Favre平均Navier-Stokes方程及Menter的 Shear Stress Transport Model (SST)双方程湍流模型,对一个考虑采用可调导叶设计的舰船燃气轮机变几何动力涡轮的全流场进行了三维粘性数值模拟,研究了可调导叶转动导致变几何动力涡轮气动性能变化的流场机理,重点分析了低工况下可调导叶级动叶栅流道内三维分离涡流场的结构特征,指出与定几何动力涡轮相比,由于可调导叶的关小不仅造成可调导叶级动叶处于大攻角三维分离涡流场运行,而且使整个变几何动力涡轮的效率显著下降了1%～5%.

船用燃气轮机变几何动力涡轮大攻角流动特性的三维数值模拟

采用三维数值模拟技术,研究了可调导叶转动导致变几何动力涡轮气动性能变化的流场机理。结果表明,在较小的转角范围内,采用大转折角设计的可调导叶使涡轮处于大攻角运行。在大正攻角或大负攻角下可调导叶级动叶栅流道内的三维分离流场结构及其产生机理有很大差异,而且大正攻角造成的吸力面分离流动更使整个涡轮的效率显著地下降。通过系统的机理分析,提出可调导叶宜采用较小转折角的后部加载叶型,而变几何动力涡轮可调导叶级动叶栅要采用较大负冲角的气动设计原则。

变几何涡轮燃气轮机总体性能研究

为深入了解变几何涡轮对燃气轮机的总体性能影响机理,通过部件法对燃气轮机进行建模,然后分别改变高压涡轮、中压涡轮和动力涡轮的第一级导向器喉道面积,在不考虑导叶两端调节机构和导叶间隙等对涡轮效率影响情况下,对燃气轮机总体性能的变化情况进行了系统地分析,并得出各截面的总温与总压变化情况。结果表明:在采用保持高压涡轮入口总温恒定的控制规律时,增大燃气轮机的高压涡轮流通能力,燃气轮机输出轴功率与耗油率均不断增加,高压涡轮流通能力增加10%,输出轴功率与耗油率分别上升2.83%与1.13%;增大燃气轮机的中压涡轮流通能力,导致燃气轮机输出轴功率降低,耗油率上升,中压涡轮流通能力增加10%,输出轴功率降低9.96%,耗油率上升3.63%;动力涡轮流通能力增加,燃气轮机输出轴功率先上升,后有小幅下降,耗油率增大,动力涡轮流通能力变化量从0增加到10%,输出轴功率降低0.05%,耗油率增加2.01%。

船用燃气轮机动力涡轮可调导叶级的流场结构

基于耦合求解可压缩Favre平均Navier Stokes方程及Menter的Baseline(BSL)双方程湍流模型,本文对一个考虑可调导叶设计的船用燃气轮机变几何动力涡轮进行了全流场的三维粘性数值模拟。计算结果表明,采用可调导叶技术,涡轮各级热力反动度发生了明显变化;可调导叶级的流动特性变化更显著影响变几何动力涡轮的气动性能;选取具有良好冲角适应性和跨音速性能的可调导叶是船用燃气轮机变几何动力涡轮气动设计的一个关键技术。由此,根据数值计算结果,重点分析可调导叶级的气动特性及其流场结构。