MW级燃气轮机高压级离心式压气机性能分析及优化

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1、MW级燃气轮机高压级离心式压气机性能分析及优化(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：能源与动力工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：邱航指导教师:刘红副教授二○一七年十一月PerformanceAnalysisandOptimazationofHighPressureStageCentrifugalCompressorforaMWLevelGasTurbineThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinPowe

2、rEngineeringandEngineeringThermophysicsbyQiuHangThesisSupervisor:Asscio.ProfessorLiuHongNov.2017摘要摘要分布式能源是未来能源系统的重要组成，已成为电力发展“十三五”规划的重点任务。微小型燃气轮机是分布式能源系统中的重要动力设备。压气机是燃气轮机三大部件之一，对于燃气轮机的效率和稳定运行至关重要。微小型燃气轮机中普遍采用结构简单、单级压比高的离心式压气机。本文对离心式压气机的气动性能进行研究。以某MW级燃气轮机的高压级离心式压气机作为研究对象，该离心式压气机由进口导叶、闭式叶轮与叶

3、片扩压器三排叶片组成。由于其压比、效率等性能参数均低于同类机组，文中对其进行了详细分析，以寻找设计缺陷，并在此基础上进行优化设计。本文使用计算流体力学的方法，在不同转速、不同流量的工况条件下，分别获得了该离心式压气机的整体性能，以及详细的流场分布。该离心式压气机整体变工况性能较好，除接近堵塞点外，不同流量下机组性能变化不大。在设计工况下，进口导叶与叶轮内的流动状态良好，叶片扩压器中部及靠近叶顶区域的流场也较为稳定，唯独在靠近叶根部分区域，吸力面后半段出现了强烈的流动分离现象，是影响性能的主要原因。基于上述分析结果，进一步对叶片扩压器进行优化设计，使用Bezier曲线拟合中弧

4、线的方法进行叶片造型，分析了叶片的几何入口角、长度、数量和厚度四种不同因素对于性能的影响。根据计算结果，选择最终优化方案。与原始叶型相比，最终优化方案在设计转速下，性能有较为显著的提升；在变转速条件下，性能保持基本不变。关键词：离心式压气机；数值模拟；优化设计；叶片扩压器；Bezier曲线叶片造型IAbstractAbstractDistributedenergyisanimportantcomponentofthefutureenergysystem.Ithasbecomeakeytaskofthe13thFive-YearPlanforelectricpowerdeve

5、lopmentinChina.Micro-sizedgasturbineisanimportantfacilityindistributedenergysystems.Compressorisoneofthethreemajorcomponentsofthegasturbine.Itisveryimportantfortheefficiencyandstableoperationofthegasturbine.Inmicro-sizedgasturbine,centrifugalcompressoriswidelyusedforitssimplestructureandhi

6、ghsinglestagepressureratio.Inthispaper,theaerodynamicperformanceofcentrifugalcompressorisstudied.ThehighpressurestagecentrifugalcompressorofaMWlevelgasturbineischosenastheobject.Thiscentrifugalcompressorconsistsofthreerowsofvanes:inletguidevanes,closedimpellerandvaneddiffuser.Becauseitsper

7、formanceparameterssuchaspressureratioandefficiencyarelowerthanasimilarunit,thispapercarriedoutadetailedanalysisinordertofindthedesignflaws,andthentooptimizethedesignonthisbasis.Usingthemethodofcomputationalfluiddynamics,theoverallperformanceparametersandthedet