末级涡轮气动设计方法及非轴对称端壁造型技术研究

作     者：管继伟 

作者单位：西北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘波

授予年度：2007年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：涡轮 长叶片 二次流 Possion方程法 非轴对称端壁造型 

摘      要：本文系统地研究了蒸汽涡轮长叶片级的有关气动设计方法。围绕蒸汽涡轮长叶片级气动设计体系中的两个重要的环节——涡轮级S2流面反问题设计计算和任意旋成流面上的二维叶栅网格生成方法及无粘流场数值计算方法开展了部分工作。鉴于在蒸汽涡轮长叶片级的动叶片根部，较大的叶型的折转角必然带来较大的二次流损失，本文对利用非轴对称端壁造型减少大折转角涡轮叶栅中的二次流损失进行了探索性的研究。 本文应用流线曲率法编制了涡轮级S2流面的反问题设计计算程序，并对一蒸汽涡轮末级长叶片进行了气动设计，结合上述计算结果对大功率蒸汽涡轮末级长叶片气动设计进行了初步的探讨。对沿叶展等轮周功分布和可控涡流型两种设计方案的优缺点进行了对比分析。分析结果表明：尽管可控涡流型与等轮周功分布方案相比能够使涡轮级的反动度沿叶展的分布趋于均匀，但在应用于末级长叶片的设计时由于积分余速损失的增加而受到了一定的限制。 本文应用有限体积时间相关法求解了任意旋成流面上的二维叶栅无粘流场，应用多重网格技术对数值计算过程进行了加速，取得了良好的效果。在流场计算所用网格的生成方面，除利用代数法生成计算网格外，本文还发展了一种利用Possion方程生成二维叶栅H形网格的新方法。与代数方法生成的网格相比，在同样的网格数目下，Possion方程法生成的网格对叶型的进、出气侧的小圆的几何形状模拟的更真实，网格单元的分布更加均匀，正交性和光滑性更好。对于一种跨音速涡轮静叶栅来说，流场计算的结果表明：Possion方程方法生成的网格与代数方法生成的网格相比，在同样的网格数目下，能更加清晰的捕捉到叶型尾缘处的激波间断。 非轴对称端壁造型作为一种先进的二次流控制技术，具有广阔的工程应用前景。本文应用商用软件Fine／Turbo分别对常规叶栅、下端壁上凸和下端壁下凹两种非轴对称端壁叶栅的流场进行了详尽的数值模拟，通过将下端壁上凸和下端壁下凹叶栅中的通道涡的发生、发展过程与常规叶栅进行对比分析，对非轴对称端壁造型减小涡轮叶栅二次流损失的机理进行了初步的探讨。结果表明：1、下端壁上凸叶栅出口处的总压损失比常规叶栅下降了4.2％，下端壁下凹叶栅出口处的总压损失比常规叶栅增加了11.9％。可见，合理的非轴对称端壁造型是控制涡轮叶栅