一种船用倒车涡轮气动设计方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种船用倒车涡轮气动设计方法，包括如下步骤：确定倒车涡轮设计要求及参数；完成倒车涡轮一维气动设计；完成倒车涡轮导叶及动叶叶片造型；进行倒车涡轮正常工作状态下三维分析；计算倒车涡轮反转状态下耗功。本发明专利技术针对船用倒车涡轮，重新组织了气动设计过程，重点增加了倒车涡轮反转状态下鼓风损失评估环节，使得倒车涡轮气动设计过程更加完善，避免了因过渡追求正常工作状态下性能，而忽略长时间处于反转状态引起鼓风损失偏大的问题，避免了设计反复，加快了倒车涡轮气动设计过程。同时有针对性地给出了倒车涡轮反转状态下鼓风损失进行了分析，可以实现船用可倒车燃气轮机倒车涡轮鼓风损失快速且有效的控制。的控制。的控制。

【技术实现步骤摘要】
一种船用倒车涡轮气动设计方法


[0001]本专利技术涉及的是一种燃气轮机气动设计方法，具体地说是船用涡轮气动设计方法。

技术介绍

[0002]燃气轮机从诞生之日起，便因功率密度大、反应迅速等特点，受到各国青睐，燃气轮机已成为大中型水面船舶的主动力。
[0003]目前船用燃气轮机的倒车功能主要是通过变距桨实现，可倒车涡轮的出现为燃气轮机倒车提供了新的途径，即燃气轮机同时具有正、反转的能力，正倒车功率均由燃气轮机直接提供。
[0004]燃气轮机倒车功能是通过具有正反转能力的可倒车涡轮实现，这种涡轮动叶由双层叶片组成，通常情况下，其内层叶片为正车涡轮叶片，外层叶片为倒车涡轮叶片，两层叶片连成一体，通过涡轮盘与轴相连输出功率。当燃气气流全部流经内层叶片时，正车涡轮叶片工作，此时倒车涡轮叶片反转；当燃气气流全部流经外层叶片时，倒车涡轮叶片工作，此时正车涡轮叶片反转。
[0005]传统涡轮气动设计重点从如何提高涡轮性能角度出发开展涡轮设计，以满足性能指标要求，而对倒车涡轮气动设计方法关注不足，科研人员迫切希望有一种能够满足船用倒车涡轮特殊工作要求的先进气动设计方法，以避免因过渡追求正常工作状态下性能，而忽略长时间处于反转状态引起鼓风损失偏大的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供可以解决船用可倒车燃气轮机倒车涡轮气动设计时忽略其长时间处于反转状态，而引起鼓风损失偏大等问题的一种船用倒车涡轮气动设计方法。
[0007]本专利技术的目的是这样实现的：
[0008]本专利技术一种船用倒车涡轮气动设计方法，其特征是：
[0009](1)确定倒车涡轮设计要求及参数；
[0010](2)完成倒车涡轮一维气动设计；
[0011](3)完成倒车涡轮导叶及动叶叶片造型；
[0012](4)进行倒车涡轮正常工作状态下三维分析；
[0013](5)计算倒车涡轮反转状态下耗功。
[0014]本专利技术还可以包括：
[0015]1、步骤(1)倒车涡轮设计要求及参数包括：根据船用可倒车燃气轮机工作要求以及总体性能参数，确定倒车涡轮设计输入参数，包括倒车涡轮正常工作状态下进口总温、进口总压、进口流量、膨胀比、转速设计输入参数，以及通流根部尺寸限制，并确定倒车涡轮功率、效率最低要求值；以及倒车涡轮反转工作状态下进口总温、进口总压、进口流量、膨胀比、转速设计输入参数，以及耗功要求，即反转鼓风损失控制值。
[0016]2、步骤(2)倒车涡轮一维气动设计具体为：按照给定的倒车涡轮设计输入参数，采用一维设计计算程序，调整通流尺寸、叶片高度、叶片进口气流角、出口气流角、反动度设计参数，得到满足功率、效率要求的倒车涡轮一维气动参数与通流，完成倒车涡轮一维气动设计。
[0017]3、步骤(3)倒车涡轮导叶及动叶叶片造型具体为：根据步骤(2)得到的倒车涡轮一维气动参数，给定倒车涡轮导叶及动叶进口几何角、出口几何角、安装角、轴向弦长、前缘半径、尾缘半径、前楔角、后楔角参数，采用涡轮叶片三维造型程序，完成倒车涡轮导叶及动叶叶片造型。
[0018]4、步骤(4)倒车涡轮正常工作状态下三维分析具体为：采用全三维流体力学计算程序，分析倒车涡轮正常工作状态下气动性能，判断倒车涡轮在步骤(1)给定的正常工作状态设计输入条件下，功率、效率是否满足设计指标要求，如果满足要求，则进入步骤(5)，如果不满足要求，重复步骤(2)～步骤(4)，直至满足指标要求。
[0019]5、步骤(5)计算倒车涡轮反转状态下耗功具体为：采用全三维流体力学计算程序，分析倒车涡轮反转工作状态下气动性能，判断倒车涡轮在步骤(1)给定的反转工作状态设计输入条件下，耗功要求是否满足设计指标要求，即倒车涡轮反转鼓风损失控制值是否符合设计指标要求，如果满足要求，则设计过程结束，如果不满足要求，则进行调整，并分析倒车涡轮反转鼓风损失偏大的原因，如果是由于叶片高度偏高导致倒车涡轮反转鼓风损失偏大，则调整倒车涡轮通流尺寸及叶片高度，重复步骤(2)～步骤(5)，直至满足指标要求，如果是由于倒车涡轮动叶叶型转折角过大导致倒车涡轮反转鼓风损失偏大，则调整倒车涡轮动叶出口几何角、安装角、弦长等参数，重复步骤(3)～步骤(5)，直至满足指标要求。
[0020]6、步骤(5)中所述的倒车涡轮反转耗功采用如下方式：
[0021]其中P
R
为倒车涡轮反转耗功，N为倒车涡轮反转转速，p
i
为三维计算时倒车涡轮动叶叶片表面第i个网格节点压力，A
i
为三维计算时倒车涡轮动叶叶片表面第i个网格面积，L
i
为三维计算时倒车涡轮动叶叶片表面第i个网格中心到旋转轴的距离，n为三维计算时倒车涡轮动叶叶片表面网格总数。
[0022]本专利技术的优势在于：
[0023]1、本专利技术在充分利用常规涡轮气动设计计算方法与流程的基础上，根据可倒车燃气轮机倒车涡轮工作特点，针对船用倒车涡轮，重新组织了气动设计过程，重点增加了倒车涡轮反转状态下鼓风损失评估环节，使得倒车涡轮气动设计过程更加完善，避免了因过渡追求正常工作状态下性能，而忽略长时间处于反转状态引起鼓风损失偏大的问题，避免了设计反复，加快了倒车涡轮气动设计过程。
[0024]2、本专利技术有针对性地对倒车涡轮反转状态下鼓风损失进行了分析，并进行了优化调整，可以实现船用可倒车燃气轮机倒车涡轮鼓风损失快速且有效的控制，有利于船用可倒车燃气轮机正车工作时机组性能改善。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的流程图；
[0026]图2a为可倒车燃气轮机正车涡轮示意图，图2b为可倒车燃气轮机倒车涡轮示意
图；
[0027]图3为倒车涡轮正常工作状态转向示意图；
[0028]图4为倒车涡轮反转工作状态转向示意图；
[0029]图5为倒车涡轮通流尺寸示意图；
[0030]图6为倒车涡轮叶型参数示意图。
具体实施方式
[0031]下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：
[0032]结合图1
‑
6，一种船用倒车涡轮气动设计的具体实施方式通过以下步骤实现：
[0033]步骤一：确定倒车涡轮设计要求及参数。根据船用可倒车燃气轮机工作要求以及总体性能参数，确定倒车涡轮(如图2a、图2b所示)设计输入参数，包括倒车涡轮正常工作状态(如图3所示)下进口总温、进口总压、进口流量、膨胀比、转速等设计输入参数，以及通流根部尺寸限制，并确定倒车涡轮功率、效率最低要求值；以及倒车涡轮反转工作状态(如图4所示)下进口总温、进口总压、进口流量、膨胀比、转速等设计输入参数，以及耗功要求，即反转鼓风损失控制值。
[0034]步骤二：倒车涡轮一维气动设计。按照给定的倒车涡轮设计输入参数，采用一维设计计算程序，调整通流尺寸和叶片高度(如图5所示)、叶片进口气流角、出口气流角、反动度等设计参数，得到满足功率、效率要求的倒车涡轮一维气动参数与通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船用倒车涡轮气动设计方法，其特征是：(1)确定倒车涡轮设计要求及参数；(2)完成倒车涡轮一维气动设计；(3)完成倒车涡轮导叶及动叶叶片造型；(4)进行倒车涡轮正常工作状态下三维分析；(5)计算倒车涡轮反转状态下耗功。2.根据权利要求1所述的一种船用倒车涡轮气动设计方法，其特征是：步骤(1)倒车涡轮设计要求及参数包括：根据船用可倒车燃气轮机工作要求以及总体性能参数，确定倒车涡轮设计输入参数，包括倒车涡轮正常工作状态下进口总温、进口总压、进口流量、膨胀比、转速设计输入参数，以及通流根部尺寸限制，并确定倒车涡轮功率、效率最低要求值；以及倒车涡轮反转工作状态下进口总温、进口总压、进口流量、膨胀比、转速设计输入参数，以及耗功要求，即反转鼓风损失控制值。3.根据权利要求1所述的一种船用倒车涡轮气动设计方法，其特征是：步骤(2)倒车涡轮一维气动设计具体为：按照给定的倒车涡轮设计输入参数，采用一维设计计算程序，调整通流尺寸、叶片高度、叶片进口气流角、出口气流角、反动度设计参数，得到满足功率、效率要求的倒车涡轮一维气动参数与通流，完成倒车涡轮一维气动设计。4.根据权利要求1所述的一种船用倒车涡轮气动设计方法，其特征是：步骤(3)倒车涡轮导叶及动叶叶片造型具体为：根据步骤(2)得到的倒车涡轮一维气动参数，给定倒车涡轮导叶及动叶进口几何角、出口几何角、安装角、轴向弦长、前缘半径、尾缘半径、前楔角、后楔角参数，采用涡轮叶片三维造型程序，完成倒车涡轮导叶及动叶叶片造型。5.根据权利要求1所述的一种船用倒车涡轮气动设计方法，其特征是：步骤(4)倒车涡轮正常工作状态下三维分析具体为：采用全三维流体力学计算程序，分析倒车涡轮正...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛夕莹，李宗全，李翔宇，徐波，侯隆安，李国强，傅琳，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零三研究所，
类型：发明
国别省市：