大膨胀比两级涡轮气动设计及数值研究

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1、国内图书分类号：TK472学校代码：10213国际图书分类号：621.438密级：公开工学硕士学位论文大膨胀比两级涡轮气动设计及数值研究硕士研究生：边昕导师：黄洪雁教授申请学位：工学硕士学科：动力机械及工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2015年6月30日授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK472U.D.C:621.438DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringAERODYNAMICDESIGNANDNUMERICAL

2、INVESTIGATIONOFHIGHEXPANSIONRATIOTWOSTAGETURBINECandidate：BianXinSupervisor：Prof.HuangHongyanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerMachinery&EngineeringAffiliation：EnergyScience.&EngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring

3、-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要动力系统是各种航空、航天、航海设备的核心部件，动力系统的优劣直接决定了飞行器、航海器等设备的各项性能。动力系统一般分为电动力系统和热动力系统两大类。电动力系统具有航程小、速度低、噪声小的特点。热动力系统具有功率大、燃料的能量密度高、噪声大等特点。考虑到热动力系统功率大、航程远的优点，本文选用热动力系统，并设计了具有双压力级的高膨胀比涡轮。本文针对这种类型的涡轮进行了气动设计及数值仿真。设计的双压力级涡轮工作在最佳

4、速比下，达到了较高的效率及输出功率。由于在大膨胀比涡轮中，静叶承担了很高的焓降，常规叶片很难满足相应的要求，因此，涡轮的两级静叶都选用了拉伐尔喷管来实现大焓降。为了保证涡轮动叶叶片不至于过小，采用了局部进气的方案。在设计过程中，首先，根据基本设计参数，按照选定方案，进行了涡轮的一维气动设计，确定了基本参数。之后，对涡轮各部件进行了三维建模及对涡轮三维流场数值仿真。三维数值计算结果表明，通过的流量及输出功率达到设计要求。同时，通过分析数值计算的结果，研究了喷管的性能参数及其内的流动状况，动叶流道内的流

5、动分离、激波的特点，局部进气对涡轮内气动参数的影响及不同位置动叶叶片的载荷分布的影响。在对流场进行分析之后，利用有限元分析软件对涡轮动叶叶片的形变、应力进行了计算及分析，结果表明，应力集中一般出现在涡轮的叶片根部。最后，设计并分析了几种形式的涡轮出口的扩压段的减速效果及能量损失，通过采用逐步扩张型的扩压管，并采用波浪型的壁面，可以在较小的损失的条件下，增大出口气流分布均匀性，并达到较好的减速效果。关键词：高膨胀比；数值仿真；气动设计；局部进气-I-AbstractAbstractPowersyste

6、misthecorecomponentofvariousaviation,aeropace,andnavigationequipment.Theperformanceofpowersystemexertssignificanteffectontheoverallperformanceofthesekindsofequipment.Powersystemsnormallyconsistsofelectro-dynamicsystemandthermal-dynamicsystem.Electro-dy

7、namicsystemhassmallvoyage,lowspeed,andsmallnoisefeatures.Thermal-dynamicsystemhaslargeoutputpower,energyfluxdensityandnosiefeasure.Consideringthemeritsoflargepowerandvoyageofthermal-dynamicsystem,thepaperchoosesitaspowersystem,anddesignsatwo-stagelarge

8、pressurerationturbine.Thethesisaimstoconductaerodynamicdesignandnumericalsimulationsofthiskindofturbine.Toproduceenoughoutputpowerandhighefficiency,thedesignedturbineworksunderoptimumvelocityratio.Intheturbine,thestatorhastoworkunderhig