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微型燃气轮机的气动设计方法与内部流动研究

沈煜欣  
【摘要】: 微型燃气轮机在分布式和便携式能源系统中有重要运用,工业和生活对微型燃气轮机有着迫切需求,然而目前国内对微型燃气轮机的研究还不够深入,基于这样的背景,本文对微型燃气轮机的气动设计和数值模拟展开了深入研究。 本文研究工作的主要目的是:考虑微型燃气轮机的工作特点和流动特征,设计具有较高效率的微型压气机和微型透平;发挥CFD技术的优势,充分了解微型压气机、微型透平的流动和换热特征。为了实现上述研究目的,本文的研究工作从以下几个方面展开:(1)作为数值研究的基础,首先考察了湍流模型和网格精度对数值计算结果的影响;(2)为了设计具有较高效率的微型压气机和微型透平,本文研究讨论了微型燃气轮机气动设计方法;(3)采用CFD方法分别重点研究了微型压气机和微型透平的动叶叶顶间隙流、雷诺数和传热对其流动特征和总体参数的影响。具体研究内容如下: (1)研究了不同的网格精度对微型透平总体性能参数的影响,保证微型燃气轮机数值模拟研究结果具有较高的可信度。在同样的网格精度下,分别选择全层流和全湍流进行计算,发现二者的计算结果非常接近; (2)微型燃气轮机的气动设计研究中,提出了微型燃气轮机总体设计参数选取的依据、气动设计的总体思路,以及气动设计的重点和难点。经过反复验算,设计了具有较高效率的微型压气机和微型透平; (3)在微型压气机的数值模拟研究中,分析了动叶顶部间隙流对微型压气机二次流形式产生的影响,考察了其对动叶和静叶流动的影响,并分析了间隙流对其总体性能的影响;分析了雷诺数对微型压气机流动和传热的影响,讨论了雷诺数对微型压气机总体性能的影响;在考察传热对微型压气机流动和总体性能的影响的基础上,提出了传热条件下总对总效率的计算方法,推导了传热对微型压气机性能影响的热分析模型,并根据热分析模型对微型压气机进行了改进设计。 (4)在微型透平的数值模拟研究中,分析了动叶顶部间隙流对透平二次流形式产生的影响,考察了其对动叶和静叶流动的影响,并分析了间隙流对其总体性能的影响;分析讨论了雷诺数对透平流动和传热的影响,讨论了雷诺数对透平总体性能的影响;在考察传热对微型透平流动和总体性能影响的基础上,提出了传热条件下总对总效率的计算方法和传热对微型透平性能影响的热分析模型,并将热分析模型的计算结果和CFD计算结果进行对比,最后指出了热分析模型预测透平流量、静落压比均比CFD计算结果偏小的原因。


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