CN115238370B - 一种船用燃气轮机单级涡轮通流尺度快速评估方法 - Google Patents

一种船用燃气轮机单级涡轮通流尺度快速评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种船用燃气轮机单级涡轮通流尺度快速评估方法，在确定动力涡轮设计参数后，给定涡轮平均半径及叶片高度两个参数，计算得到涡轮级载荷系数、涡轮级流量系数，利用经典的Smith图评估涡轮气动性能，通过涡轮通流结构示意图绘制、燃气轮机整机结构匹配性评估，获得满足总体性能及结构匹配要求的动力涡轮通流方案。本发明仅通过两个参数即可对船用燃气轮机单级涡轮通流尺度进行评估，实现了船用燃气轮机单级涡轮通流尺度的快速评估，提高了船用燃气轮机涡轮的气动设计速度，避免因结构尺寸不匹配导致设计的返工，缩短设计周期。同时该方法不仅局限于船用燃气轮机涡轮，同样适用于工业型燃气轮机单级涡轮通流尺度评估过程。

Description

一种船用燃气轮机单级涡轮通流尺度快速评估方法
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机评估方法，具体地说是涡轮通流尺度评估方法。
背景技术
因燃气轮机具有功率密度高、起动速度快等优点，燃气轮机已成为大中型水面船舶的主动力，燃气轮机或者基于燃气轮机的综合电力推进系统用作船舶主机可以极大地改善船舶的性能。
船用燃气轮机多大采用三转子结构，其包括低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮。因压气机气动设计难度较大，周期较长，通常情况下燃气轮机的低压压气机和高压压气机大多是在成熟的母型压气机基础上采用加级、拆级、模化放大、模化缩小、切除叶顶等技术途径设计得到。燃烧室设计也大多是基于成熟的母型燃烧室改型设计，因此，压气机和燃烧室的结构方案在新研燃气轮机方案之初就已经基本确定。而对于新研燃气轮机的涡轮而言，需根据压气机工作参数及整机总体性能匹配后参数全新设计。因此，如果涡轮结构尺寸选取不合适就会导致整机结构不匹配，因此，如何快速的开展涡轮通流尺寸评估是获得合理涡轮气动方案的前提。
传统涡轮气动设计重点从如何高性能涡轮角度出发开展涡轮设计，以满足船用燃气轮机越来越高的性能指标要求，而对涡轮通流尺寸快速评估关注不足，科研人员迫切希望有一种能够快速评估船用燃气轮机涡轮通流尺寸的先进方法，以避免因涡轮结构尺寸不匹配导致设计反复，设计周期偏长的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供能解决船用燃气轮机整机方案设计时涡轮通流尺度快速评估方法缺失导致结构不匹配等问题的一种船用燃气轮机单级涡轮通流尺度快速评估方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种船用燃气轮机单级涡轮通流尺度快速评估方法，其特征是：
(1)根据船用燃气轮机设计工况整机总体性能参数，确定涡轮设计参数，包括涡轮进口总温、进口总压、进口流量、涡轮膨胀比、转速、气体常数、定压比热容、绝热指数、进出口尺寸限制；
(2)按照给定涡轮进出口尺寸限制，给定符合尺寸限制要求的涡轮平均半径Rm及叶片高度H；
(3)根据步骤(1)确定的涡轮参数，计算涡轮级载荷系数ψ、涡轮级流量系数φ；
(4)评估涡轮效率：利用经典的Smith图，根据步骤(3)计算得到的涡轮级载荷系数ψ、涡轮级流量系数φ，在Smith图查得涡轮效率，判断是否满足整机总体性能设计指标要求，如果满足要求，继续开展后续步骤，如果不满足要求，重复步骤(2)～步骤(4)，并在步骤(2)时调整涡轮平均半径Rm及叶片高度H，直至动力涡轮参数满足整机总体性能设计指标要求；
(5)基于步骤(4)得到满足要求的涡轮平均半径Rm及叶片高度H，绘制涡轮通流结构示意图；
(6)燃气轮机整机结构匹配性评估：基于步骤(5)得到的涡轮通流结构示意图，与燃气轮机整机其余部件结构进行整机总体结构匹配性评估，评估所确定涡轮平均半径Rm及叶片高度H是否满足整机总体结构设计要求，如果满足要求，则设计过程结束，如果不满足要求，重复步骤(2)～步骤(6)，直至满足总体结构匹配要求。
本发明还可以包括：
1、步骤(3)中所述的涡轮级载荷系数ψ，采用如下方式获得：
Figure BDA0003696125970000021
其中Cp为定压比热容，T0为涡轮进口总温，πT为涡轮膨胀比，k为绝热指数，n为涡轮转速，Rm为涡轮平均半径。
2、步骤(3)中所述的涡轮级流量系数φ，采用如下方式获得：
Figure BDA0003696125970000031
其中Cp为定压比热容，T0为涡轮进口总温，πT为涡轮膨胀比，k为绝热指数，n为涡轮转速，Rm为涡轮平均半径，G为涡轮进口流量，R为气体常数，H为涡轮叶片平均叶高，P0为涡轮进口总压。
本发明的优势在于：
1、本发明仅需要给定涡轮平均半径Rm及叶片高度H两个参数，通过经简化推理涡轮级载荷系数ψ、涡轮级流量系数φ，利用经典的Smith图评估涡轮气动性能，从而实现了船用燃气轮机单级涡轮通流尺度的快速评估。
2、本发明可以实现船用燃气轮机单级涡轮通流尺度快速评估，有效提高了船用燃气轮机涡轮的气动设计速度，避免因结构尺寸不匹配导致设计的返工，缩短设计周期。
3、本发明不仅局限于船用燃气轮机涡轮，同样适用于工业型燃气轮机单级涡轮通流尺度评估过程。
附图说明
图1为本发明的流程图。
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，本发明一种船用燃气轮机单级涡轮通流尺度快速评估的具体实施方式通过以下步骤实现：
步骤一：确定涡轮设计参数。根据船用燃气轮机设计工况整机总体性能参数，确定涡轮设计参数，包括涡轮进口总温、进口总压、进口流量、涡轮膨胀比、转速、气体常数、定压比热容、绝热指数、进出口尺寸限制等。
步骤二：给定涡轮通流平均半径、叶片高度。按照给定涡轮进出口尺寸限制，给定符合尺寸限制要求的涡轮平均半径Rm及叶片高度H。
步骤三：计算涡轮载荷系数、流量系数。根据步骤一确定的涡轮参数，计算涡轮级载荷系数ψ、涡轮级流量系数φ。ψ和φ的定义如下：
Figure BDA0003696125970000041
其中Cp为定压比热容，T0为涡轮进口总温，πT为涡轮膨胀比，k为绝热指数，n为涡轮转速，Rm为涡轮平均半径。
Figure BDA0003696125970000042
其中Cp为定压比热容，T0为涡轮进口总温，πT为涡轮膨胀比，k为绝热指数，n为涡轮转速，Rm为涡轮平均半径，G为涡轮进口流量，R为气体常数，H为涡轮叶片平均叶高，P0为涡轮进口总压。
步骤四：评估涡轮效率。利用经典的Smith图，根据步骤三计算得到的涡轮级载荷系数ψ、涡轮级流量系数φ，在Smith图查得涡轮效率，判断是否满足整机总体性能设计指标要求，如果满足要求，继续开展后续步骤，如果不满足要求，重复步骤二～步骤四，并在步骤二时调整涡轮平均半径Rm及叶片高度H，直至动力涡轮参数满足整机总体性能设计指标要求。
步骤五：涡轮通流结构示意图绘制。基于步骤四得到满足要求的涡轮平均半径Rm及叶片高度H，绘制涡轮通流结构示意图。
步骤六：燃气轮机整机结构匹配性评估。基于步骤五得到的涡轮通流结构示意图，与燃气轮机整机其余部件结构进行整机总体结构匹配性评估，评估所确定涡轮平均半径Rm及叶片高度H是否满足整机总体结构设计要求，如果满足要求，则设计过程结束，如果不满足要求，重复步骤二～步骤六，直至满足总体结构匹配要求。
本发明提出的一种船用燃气轮机单级涡轮通流尺度快速评估方法具有通用性，不仅局限于船用燃气轮机涡轮，同样适用于工业型燃气轮机单级涡轮通流尺度评估过程。

Claims (2)

1.一种船用燃气轮机单级涡轮通流尺度快速评估方法，其特征是：
(1)根据船用燃气轮机设计工况整机总体性能参数，确定涡轮设计参数，包括涡轮进口总温、进口总压、进口流量、涡轮膨胀比、转速、气体常数、定压比热容、绝热指数、进出口尺寸限制；
(2)按照给定涡轮进出口尺寸限制，给定符合尺寸限制要求的涡轮平均半径Rm及涡轮叶片平均叶高H；
(3)根据步骤(1)确定的涡轮参数，计算涡轮级载荷系数ψ、涡轮级流量系数φ；
(4)评估涡轮效率：利用经典的Smith图，根据步骤(3)计算得到的涡轮级载荷系数ψ、涡轮级流量系数φ，在Smith图查得涡轮效率，判断是否满足整机总体性能设计指标要求，如果满足要求，继续开展后续步骤，如果不满足要求，重复步骤(2)～步骤(4)，并在步骤(2)时调整涡轮平均半径Rm及叶片高度H，直至动力涡轮参数满足整机总体性能设计指标要求；
(5)基于步骤(4)得到满足要求的涡轮平均半径Rm及叶片高度H，绘制涡轮通流结构示意图；
(6)燃气轮机整机结构匹配性评估：基于步骤(5)得到的涡轮通流结构示意图，与燃气轮机整机其余部件结构进行整机总体结构匹配性评估，评估所确定涡轮平均半径Rm及叶片高度H是否满足整机总体结构设计要求，如果满足要求，则设计过程结束，如果不满足要求，重复步骤(2)～步骤(6)，直至满足总体结构匹配要求；
步骤(3)中所述的涡轮级载荷系数ψ，采用如下方式获得：
Figure FDA0004144863080000011
其中Cp为定压比热容，T0为涡轮进口总温，πT为涡轮膨胀比，k为绝热指数，n为涡轮转速，Rm为涡轮平均半径。
2.根据权利要求1所述的一种船用燃气轮机单级涡轮通流尺度快速评估方法，其特征是：步骤(3)中所述的涡轮级流量系数φ，采用如下方式获得：
Figure FDA0004144863080000021
其中T0为涡轮进口总温，πT为涡轮膨胀比，k为绝热指数，n为涡轮转速，Rm为涡轮平均半径，G为涡轮进口流量，R为气体常数，H为涡轮叶片平均叶高，P0为涡轮进口总压。
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