地面重型燃气轮机压气机亚音级气动优化设计-动力机械及工程专业论文.docxVIP

Classified Index: TK26 U.D.C: 621.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering THE AERODYNAMIC OPTIMAL DESIGN OF SUBSONIC STAGES IN HEAVY DUTY GAS TRUBINE Candidate： Zhu Dong Hua Supervisor： Prof. Wang Song Tao Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Power Machinery Engineering Affiliation： School of Energy Sci. Tech Date of Defence： June, 2011 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 本文以某地面重型燃气轮机压气机两级亚音级为研究对象，借助数值模拟手 段研究了第一级静叶改型对两级压气机气动性能的影响。首先，本文采用端弯叶 片技术和端弯联合弯叶片技术控制原型第一级静叶上端壁角区分离流动。其次， 重新设计了第一级静叶下端壁叶型，改善两级压气机下端壁附近的流动匹配问 题。第一级静叶改型提高了两级压气机在设计点和近失速点的效率和压比，扩大 了两级压气机失速裕度和工作范围。 本文在单级环境中研究了原型静叶的流动特点。在多级压气机后面级中，由 于环壁附面层以及顶部间隙泄漏流动的影响，通流能力较主流区显著降低，造成 静叶进口较大的正冲角，诱发静叶上端壁角区分离。通过分析原型静叶主要损失 组成发现静叶上端壁角区分离流动在静叶总损失中起重要作用，使得静叶气动性 能降低和压气机稳定工作范围减小。 基于原型静叶流动分析，本文对两级压气机中的第一级采用端弯技术进行端 区局部流动匹配。通过多方案对比分析，研究了不同端弯弯高对静叶性能的影 响，7%端弯弯高方案为最佳改型方案。通过对比分析 7%端弯改型方案和原型压 气机在设计转速下的全流量特性以及特征工况点气动性能发现：端弯改型设计使 第一级压气机在设计点和近失速点附近的效率和压比显著提高，在近堵塞点的效 率和压比略有降低，失速裕度和工作范围都增大。在端弯改型的基础上，本文研 究了端弯联合弯叶片改型设计的应用。本文采用的端弯叶片为前缘增弯，具有正 弯叶片的效果。研究发现端弯联合正弯叶片能够进一步增强正弯效果；端弯联合 反弯叶片减弱了正弯效果。 端区改型改善了上端壁区域的气流角度匹配，使下端壁区域的气流角度匹配 变差。因此，为了进一步提高压气机气动性能，本文在端弯改型的基础上采用了 流动匹配技术。研究发现：匹配设计后下端壁气流角度匹配问题得到缓解，上端 壁角度匹配进一步改善，主流区变化微小。从两级压气机设计转速下全流量特性 分析可以看出，通过改善级间气流角度匹配，匹配设计后两级压气机在设计点至 近失速点流量范围效率略有增大，压比略有降低，两级压气机失速裕度和工作范 围变化不大。 关键词：重型燃气轮机；压气机；端弯；端弯联合弯叶片；匹配设计 I - Abstract A two stage compressor of a heavy duty gas turbine which is subsonic is studied in this paper. The software NUMECA is used to help us analysis the 3D flow field of original stator. Based on the study of the original stator, the End-bend blade, End-bend bowed blade and Match optimal design technology are used to improve the aerodynamic performance and extend the stable working range of the compressor. In this paper, the original stator is studied. By analyzing the original stator, it is found that the corner separation flow result in high loss of the stator and may lead to stall of the compressor. Further anal