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船用倒车涡轮流动特性及气动优化研究
| 论文题名： | 船用倒车涡轮流动特性及气动优化研究 |
| 关键词： | 船用倒车涡轮;结构参数;流动特性;气动优化 |
| 摘要： | 燃气轮机无法直接倒转，舰船倒车运行需要额外的动力传递设备匹配动力涡轮来实现反转。动力传递设备的安装增加了动力系统的尺寸重量以及航行阻力，并且动力传递设备存在功率传递上限，超过上限值需要付出巨大代价。为弥补这一缺陷，双涵道一体化可直接倒车动力涡轮（包括内涵道正车涡轮和外涵道倒车涡轮）应运而生，其可以大幅减小舰船倒车半径，显著提升舰船机动性等。但是倒车涡轮的流动复杂，动叶叶背存在大尺度流动分离，导致涡轮功率和效率偏低。本文由此开展船用倒车涡轮的流动特性与气动优化研究。 本文首先对倒车涡轮的结构参数进行了分析，针对其物理结构和气动参数特征开展了流动特性和损失分布研究，揭示了涡轮的主要损失来源以及损失分布;并分析论证了不同动叶栅稠度下倒车涡轮的流场和性能变化。研究表明:动叶栅的极低稠度是导致倒车涡轮功率和效率偏低的主要原因，动叶栅对气流的束缚能力弱，气流在动叶叶背最大厚度处发生不可再附的流动分离，分离促进了叶顶端区的通道涡和间隙泄漏涡的发展，增加了动叶端区和下游的流动损失。 其次针对倒车涡轮动叶的大尺度流动分离，开展了动叶片厚度变化、动叶片叶型弯角和动叶片积叠规律对分离控制以及涡轮性能的影响规律研究。研究发现最大厚度位置的后移、最大厚度的减小和叶型弯角的增加均可以提高涡轮功率和效率，其中增加弯角可显著抑制叶背的分离，对功率提升最为有效;在增加弯角的基础上优化叶片的积叠规律，叶顶端区的分离流动得到改善，功率提升了6.56％。随后开展了大小叶片对抑制流动分离的可行性研究，小叶片的应用可有效增加叶栅对气流的束缚能力，抑制叶背处的流动分离，涡轮的功率和效率明显提高。 最后在动叶片采用控制分离方法的基础上，开展了基于级的静叶优化对倒车涡轮性能的影响研究。对比分析了静叶倾斜、弯曲和掠三种积叠规律单独与综合优化调整对涡轮性能的影响，在此基础上选择合适的静叶积叠方案与优化后的动叶相匹配，得到最优的动静叶结构。研究发现:受倒车涡轮结构影响，静叶采用同样的积叠方式对优化前后涡轮性能的影响不同;复合弯掠静叶片适用于分离较剧烈的原涡轮，优化后的涡轮无需静叶片进行大幅度的弯曲调整，就可实现降低静叶栅总压损失和提高涡轮效率的目的。 本文研究获得的可直接倒车涡轮中倒车涡轮的流动特性、叶片结构对倒车涡轮级性能影响等，可为船用可倒车动力涡轮的后期研究提供一定参考。 |
| 作者： | 王国杰 |
| 专业： | 动力工程及工程热物理 |
| 导师： | 高杰 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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