CN112685929B - 一种船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种船舶燃气轮机压气机回流腔‑扰流片式处理机匣设计方法，根据压气机气动设计结果选取典型工况，确定回流腔‑扰流片式处理机匣的轴向特征位置；提取特征位置上动叶叶顶处的进口绝对气流角和进口相对气流角，以此确定扰流片的进气径向角与排气径向角；选取扰流片外径、扰流片长度和扰流片个数3个影响因素进行结构方案设计；再次对不同的结构设计方案分别进行数值计算，确定最优方案；对最优方案在设计工况下进行性能分析，判断该方案的设计点性能是否达标。本发明不仅局限于船舶燃气轮机轴流压气机，同样适用于各种带有处理机匣的工业用燃气轮机轴流压气机、航空发动机轴流压气机。

Description

一种船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计 方法

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机设计方法，具体地说是压气机设计方法。

背景技术

压气机作为船舶燃气轮机最为重要的三大核心部件之一，其技术性能和可靠性直接影响着船舶燃气轮机的安全性与经济性指标的实现。船舶燃气轮机要在保证设计点性能的同时，特别强调低工况下的宽裕度高效运行。这种大范围变工况下的运行特点，使燃气轮机在作为船舶动力系统推进或发电使用时的低工况稳定性问题十分突出，并往往成为机组性能的限制瓶颈，这就对船舶燃气轮机压气机在非设计工况下的性能与稳定性提出了更高的要求。因此，为了使船舶燃气轮机具有更宽的稳定工作范围与更优秀的变工况性能，往往需要采用各种防喘扩稳技术，提高其压气机在低工况下的喘振裕度指标。

在各种压气机防喘扩稳技术中，处理机匣技术是提高压气机非设计工况喘振裕度常用的技术手段。自从上世纪六十年代发现机匣处理的扩稳效果以来，经过四十多年的研究，发现了多种有效的机匣处理结构，其中回流腔-扰流片式处理机匣作为一种新型的处理机匣结构形式，其扩稳效果要比传统的处理机匣形式更好。随着船舶燃气轮机对压气机低工况喘振裕度指标要求的不断提升，如何快速、有效地设计出满足工程需求的回流腔-扰流片式处理机匣结构成为了亟需解决的问题。为此，必须发展船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣的设计方法，形成适合工程设计应用的、能够有效提高压气机低工况喘振裕度的船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计技术，才能真正实现压气机的喘振裕度提升。

发明内容

本发明的目的在于提供解决船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计问题的一种船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计方法，其特征是：

(1)选取回流腔-扰流片式处理机匣设计的典型工况：根据压气机气动设计结果，选取各个工况中喘振裕度最小的工况作为典型工况；

(2)分析典型工况下近喘点的流场气动参数分布，包括子午面的相对总压和相对马赫数分布；

(3)提取典型工况下近喘点轴向特征位置上动叶叶顶处的进口绝对气流角α₁和进口相对气流角β₁，进入回流腔后的气体经过扰流片再次导流后重新进入主流区域，在设计时根据动叶叶顶处的进口绝对气流角α₁和进口相对气流角β₁来确定扰流片的进气径向角与排气径向角；进口绝对气流角α₁和进口相对气流角β₁通过整个压气机设计点下的全三维CFD计算求解获得，以此确定扰流片的进气径向角与排气径向角；

(4)根据压气机实际结构确定回流腔的外径和扰流片排气段与进气段的比值；

(5)选取扰流片外径、扰流片长度和扰流片个数3个影响因素进行结构方案设计；

(6)对不同的结构设计方案分别进行数值计算，确定最优方案；

(7)对最优方案在设计工况下进行性能分析，判断该方案的设计点性能是否达标；若不达标，则返回步骤(5)重新设计。

本发明还可以包括：

1、根据压气机的实际结构确定回流腔的外径，后续通过调整扰流片的外径来改变回流腔的深度；扰流片排气段与进气段的比值设定为1.55。

2、步骤(5)中采用正交实验法得到不同影响因素下的方案，使用三因素三水平的设计，按照正交表进行排列组合，得到9种方案进行后续设计。

3、步骤(6)中对各级叶片通道、处理机匣结构采用的是定常单通道的求解，所生成的网格都为结构化网格，处理机匣网格与叶片通道网格的交接面采用完全非匹配连接方式；

数值计算求解中采取多块网格分区技术，分别在转子通道、叶顶间隙和防喘机匣内生成各自的结构化网格。叶片附近的贴体网格采用O型网格，叶片的前后延伸段采用H型网格，叶顶间隙和扰流片之间的计算域内采用“蝶形网格”拓扑结构；

在选择最优方案时，依据以下三个指标来评判：

综合稳定裕度改进量：

流量裕度改进量：

峰值效率改进量：

式中：π^*、η^*和M分别为总压比、等熵绝热效率和进口流量，下标os表示带机匣处理的近稳定边界点，bs表示实壁机匣近稳定边界点；

选取各个方案中提高压气机稳定裕度较大同时峰值效率减小最少的方案作为最优方案。

本发明的优势在于：

1、本发明所提出的一种船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计方法，为压气机处理机匣防喘扩稳技术的实现提供了一条快速有效的途径；通过本发明获得的压气机处理机匣，能够有效提升压气机在低工况下的喘振裕度指标，为船舶燃气轮机低工况瓶颈问题的解决提供技术支撑。

2、本发明提供的一种船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计方法，能够快速地获得扩稳效果最优的回流腔-扰流片式处理机匣结构形式，缩短了通过回流腔-扰流片式处理机匣结构多种影响因素组合方案的大量样本数量筛选寻优的设计过程，有效减少了设计过程中大量三维CFD计算所造成的资源与时间消耗，简化了设计人员工作量，非常适合工程设计应用。

3、本发明所提出的一种船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计方法，不仅局限于船舶燃气轮机轴流压气机，同样适用于各种带有处理机匣的工业用燃气轮机轴流压气机、航空发动机轴流压气机的处理机匣设计过程。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2a、图2b、图2c为本发明的回流腔-扰流片式处理机匣重要结构参数示意图；

图3为三因素三水平的正交实验表。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1、图2a、图2b、图2c、图3，本发明一种船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计方法的具体实施方式通过以下步骤实现：

步骤一：选取回流腔-扰流片式处理机匣设计的典型工况。根据压气机气动设计结果，选取各个工况中喘振裕度最小的工况作为典型工况，一般典型工况选取在压气机中低转速工况附近；

步骤二：分析典型工况下近喘点的流场气动参数分布，包括子午面的相对总压和相对马赫数分布。由于回流腔-扰流片式处理机匣扩稳的原理是将原本在动叶顶部的部分低速流体通过扰流片进行导流引至回流腔内，减少了动叶顶部低速区，改善了叶片通道内的流动，从而达到扩稳的作用；所以在分析时找出相对总压损失最大和相对马赫数较低的位置，以此来确定回流腔-扰流片式处理机匣的轴向特征位置；

步骤三：提取典型工况下近喘点轴向特征位置上动叶叶顶处的进口绝对气流角α₁和进口相对气流角β₁，进入回流腔后的气体经过扰流片再次导流后重新进入主流区域，这样降低了效率的损失；所以在设计时根据动叶叶顶处的进口绝对气流角α₁和进口相对气流角β₁来确定扰流片的进气径向角与排气径向角，最大程度上减少效率的损失；进口绝对气流角α₁和进口相对气流角β₁可以通过整个压气机设计点下的全三维CFD计算求解获得，以此确定扰流片的进气径向角与排气径向角；

步骤四：根据压气机实际结构确定回流腔的外径和扰流片排气段与进气段的比值；由于影响扩稳效果的因素之一为回流腔的深度，在这里先根据压气机的实际结构确定回流腔的外径，后续通过调整扰流片的外径来改变回流腔的深度；根据以往设计经验，扰流片排气段与进气段的比值设定为1.55较为合理，能够增大回流量从而达到更好的扩稳效果；

步骤五：选取扰流片外径、扰流片长度和扰流片个数3个影响因素进行结构方案设计；采用正交实验法得到不同影响因素下的方案，一般使用三因素三水平的设计，按照正交表进行排列组合，得到9种方案进行后续设计，这样减少了设计过程中三维CFD计算所造成的资源与时间消耗，大大简化了设计人员工作量；

步骤六：对不同的结构设计方案分别进行数值计算，确定最优方案；本发明对各级叶片通道、处理机匣结构采用的是定常单通道的求解，所生成的网格都为结构化网格。处理机匣网格与叶片通道网格的交接面采用完全非匹配连接方式。

数值计算求解中采取了多块网格分区技术，分别在转子通道、叶顶间隙和防喘机匣内生成各自的结构化网格。叶片附近的贴体网格采用O型网格，而叶片的前后延伸段采用H型网格。叶顶间隙和扰流片之间的计算域内采用“蝶形网格”拓扑结构。

在选择最优方案时，依据以下三个指标来评判：

综合稳定裕度改进量：

流量裕度改进量：

峰值效率改进量：

式中：π^*、η^*和M分别为总压比、等熵绝热效率和进口流量。下标os表示带机匣处理的近稳定边界点，bs表示实壁机匣近稳定边界点。

选取各个方案中提高压气机稳定裕度较大同时峰值效率减小最少的方案作为最优方案；

步骤七：对最优方案在设计工况下进行性能分析，判断该方案的设计点性能是否达标；若不达标，则返回步骤五重新设计。

本发明提出的一种船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计方法，不仅局限于船舶燃气轮机轴流压气机，同样适用于各种带有处理机匣的工业用燃气轮机轴流压气机、航空发动机轴流压气机的处理机匣设计过程。

Claims (4)

1.一种船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计方法，其特征是：

(1)选取回流腔-扰流片式处理机匣设计的典型工况：根据压气机气动设计结果，选取各个工况中喘振裕度最小的工况作为典型工况；

(2)分析典型工况下近喘点的流场气动参数分布，包括子午面的相对总压和相对马赫数分布；

(3)提取典型工况下近喘点轴向特征位置上动叶叶顶处的进口绝对气流角α₁和进口相对气流角β₁，进入回流腔后的气体经过扰流片再次导流后重新进入主流区域，在设计时根据动叶叶顶处的进口绝对气流角α₁和进口相对气流角β₁来确定扰流片的进气径向角与排气径向角；进口绝对气流角α₁和进口相对气流角β₁通过整个压气机设计点下的全三维CFD计算求解获得，以此确定扰流片的进气径向角与排气径向角；

(4)根据压气机实际结构确定回流腔的外径和扰流片排气段与进气段的比值；

(5)选取扰流片外径、扰流片长度和扰流片个数3个影响因素进行结构方案设计；

(6)对不同的结构设计方案分别进行数值计算，确定最优方案；

(7)对最优方案在设计工况下进行性能分析，判断该方案的设计点性能是否达标；若不达标，则返回步骤(5)重新设计。

2.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计方法，其特征是：根据压气机的实际结构确定回流腔的外径，后续通过调整扰流片的外径来改变回流腔的深度；扰流片排气段与进气段的比值设定为1.55。

3.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计方法，其特征是：步骤(5)中采用正交实验法得到不同影响因素下的方案，使用三因素三水平的设计，按照正交表进行排列组合，得到9种方案进行后续设计。

4.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机压气机回流腔-扰流片式处理机匣设计方法，其特征是：步骤(6)中对各级叶片通道、处理机匣结构采用的是定常单通道的求解，所生成的网格都为结构化网格，处理机匣网格与叶片通道网格的交接面采用完全非匹配连接方式；

数值计算求解中采取多块网格分区技术，分别在转子通道、叶顶间隙和防喘机匣内生成各自的结构化网格；叶片附近的贴体网格采用O型网格，叶片的前后延伸段采用H型网格，叶顶间隙和扰流片之间的计算域内采用“蝶形网格”拓扑结构；

在选择最优方案时，依据以下三个指标来评判：

综合稳定裕度改进量：

流量裕度改进量：

峰值效率改进量：

式中：π^*、η^*和M分别为总压比、等熵绝热效率和进口流量，下标os表示带机匣处理的近稳定边界点，bs表示实壁机匣近稳定边界点；

选取各个方案中提高压气机稳定裕度最大同时峰值效率减小最少的方案作为最优方案。

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