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船用燃气轮机变几何动力涡轮大攻角流动特性的三维数值模拟
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采用三维数值模拟技术,研究了可调导叶转动导致变几何动力涡轮气动性能变化的流场机理。结果表明,在较小的转角范围内,采用大转折角设计的可调导叶使涡轮处于大攻角运行。在大正攻角或大负攻角下可调导叶级动叶栅流道内的三维分离流场结构及其产生机理有很大差异,而且大正攻角造成的吸力面分离流动更使整个涡轮的效率显著地下降。通过系统的机理分析,提出可调导叶宜采用较小转折角的后部加载叶型,而变几何动力涡轮可调导叶级动叶栅要采用较大负冲角的气动设计原则。
关键词:船用燃气轮机;变几何动力涡轮;大攻角流动特性;数值模拟
采用变几何动力涡轮技术可以有效调节和优化燃气轮机各部件之间的匹配,提高燃气轮机的加减速特性。如在起动过程中,开大可调导叶,不仅可以使压气机特性图上的共同工作线远离喘振边界,而且可以把相对更多比例的焓降分配给燃气发生器透平,让它有更大的扭矩使转子尽快加速,实现机组的快速起动;在动力涡轮甩负荷时,突然开大可调导叶可以立即使动力透平的焓降大幅度降低,使动力透平的效率急剧下降,在这种情况下甚至可使燃气作用在动力透平的扭矩变成负的(和旋转方向相反的扭矩) ,即成为制动扭矩,从而有效实现动力涡轮的超速保护。在低工况时,关小可调导叶,可降低涡轮的有效通流面积,从而减小流量和降低功率,减小压气机耗功,并维持较高的涡轮进口总温,从而可获得较高的循环效率,而将变几何动力涡轮技术与回热循环或间冷回热循环配合使用,将会获得更大的循环收益[1～4 ] 。
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