CN112685966B - 一种船舶燃气轮机压气机自循环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自循环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，获得自循环式处理机匣的轴向特征位置；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和进口相对气流角，以此确定自循环式处理机匣引气流道的进气角度和排气角度；确定自循环式处理机匣引气流道的型线；选取引气流道轴向长度、进气流道宽度和排气流道宽度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。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的处理机匣设计过程。

Description

一种船舶燃气轮机压气机自循环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，其中自循环式处理机匣作为一种新型的处理机匣结构形式，结合喷气与引气的方式来延迟压气机的失速，具有良好的扩稳效果。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自循环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自循环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自循环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自循环式处理机匣设计问题的一种船舶燃气轮机压气机自循环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自循环式处理机匣设计方法，其特征是：

(1)选取自循环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，确定自循环式处理机匣引气流道的进气角度和排气角度；

(4)根据压气机实际结构确定自循环式处理机匣引气流道的型线，型线分为进气圆弧段、过渡直线段和排气圆弧段3个部分；

(5)选取引气流道轴向长度、进气流道宽度和排气流道宽度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、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。

2、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)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，叶顶间隙和引气流道内采用“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自循环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自循环式处理机匣设计方法，能够快速地获得扩稳效果最优的自循环式处理机匣结构形式，缩短了通过自循环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自循环式处理机匣设计方法，不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2为自循环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1-3，本发明一种船舶燃气轮机压气机自循环式处理机匣设计方法通过以下步骤实现：

步骤一：选取自循环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。自循环式处理机匣结合喷气与引气的方式来延迟压气机的失速，充分利用压气机叶片通道下游的高压气体提供喷气量，在收缩形的通道内提高气体喷出的速度，加速动叶入口速度，减小进气攻角，从而达到推迟失速的作用；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，确定自循环式处理机匣引气流道的进气角度和排气角度，最大程度上的减少引气时的损失，达到最优的扩稳效果；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；

步骤四：根据压气机实际结构确定自循环式处理机匣引气流道的型线，型线可以分为进气圆弧段、过渡直线段和排气圆弧段3个部分，根据设计经验选取正确的参数可以达到更好的扩稳效果；

步骤五：选取引气流道轴向长度、进气流道宽度和排气流道宽度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。叶顶间隙和引气流道内采用“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自循环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自循环式处理机匣设计方法，其特征是：

(1)选取自循环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，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，以此来确定处理机匣的轴向特征位置；

(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，确定自循环式处理机匣引气流道的进气角度和排气角度；

(4)根据压气机实际结构确定自循环式处理机匣引气流道的型线，型线分为进气圆弧段、过渡直线段和排气圆弧段3个部分；

(5)选取引气流道轴向长度、进气流道宽度和排气流道宽度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自循环式处理机匣设计方法，其特征是：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。

3.根据权利要求1所述的一种船舶燃气轮机压气机自循环式处理机匣设计方法，其特征是：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自循环式处理机匣设计方法，其特征是：步骤(6)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，叶顶间隙和引气流道内采用“蝶形网格”拓扑结构；

在选择最优方案时，依据以下指标来评判：

综合稳定裕度改进量：

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。

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