[发明专利]一种船用发电型燃气轮机双级高速动力涡轮气动设计方法

说明书

本发明的目的在于提供一种船用发电型燃气轮机双级高速动力涡轮气动设计方法，确定动力涡轮设计参数后，选择动力涡轮功率分配比例系数、级反动度及各列叶片相对前缘半径作为控制参数并进行逐级分布规律的参数化设计，通过动力涡轮一维气动设计、典型工况动力涡轮气动性能分析、全工况整机总体性能评估，获得满足全工况性能要求的动力涡轮气动方案。本发明通过个别关键控制参数的特定规律设置，实现了动力涡轮功率分配及各级反动度及各列叶片相对前缘半径的参数化与定制化，加速了设计过程，提升了设计效率。本发明不仅局限于船用燃气轮机动力涡轮，同样适用于各种使用工况范围宽、全工况性能指标要求高的工业型燃气轮机双级动力涡轮气动设计过程。

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机设计方法，具体地说是动力涡轮设计方法。

背景技术

因燃气轮机具有功率密度大、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。船用燃气轮机对宽范围变工况(0～100％)性能要求较高，且在大部分寿命期内处于低工况下工作。同时，由于船舶机动性要求还导致其工况变化频繁，大范围的变工况使得船用燃气轮机对于动力涡轮的宽范围工作特性非常敏感。作为船舶综合电力系统原动机的船用燃气轮机，对动力涡轮的气动设计和变工况特性提出了新的更高的要求。对于船用发电型燃气轮机横转速工作的动力涡轮，其设计不仅仅要考虑其设计工况时具有优良的气动性能，而且还要具有良好的变工况特性。

船用燃气轮机动力涡轮大范围变工况的工作特点，增加了船用燃气轮机动力涡轮气动设计的难度及复杂性。传统涡轮气动设计方法难以达到宽工况高效动力涡轮的设计要求，涡轮气动设计能力和设计水平需要拓展和提升，以满足船用发电型燃气轮机越来越高的性能指标要求，科研人员迫切希望有一种能够有效改善船用燃气轮机高速动力涡轮用于恒转速发电时变工况性能偏差问题的先进设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供能解决船用燃气轮机高速动力涡轮用于恒转速发电时变工况性能偏差问题的一种船用发电型燃气轮机双级高速动力涡轮气动设计方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种船用发电型燃气轮机双级高速动力涡轮气动设计方法，其特征是：

(1)确定动力涡轮设计参数：根据船用燃气轮机设计工况整机总体性能参数，确定动力涡轮设计参数，包括动力涡轮进口条件、转速、流量、膨胀比、级数、第一级导叶进口尺寸与最末级动叶出口尺寸限制；

(2)动力涡轮通流设计：根据采用涡轮一维通流设计程序，完成满负荷工况条件下动力涡轮一维通流设计，得到动力涡轮一维通流；

(3)给定动力涡轮功率分配比例系数、级反动度及各列叶片相对前缘半径分布规律，按照递减功率分配规律给定动力涡轮首级功率和末级功率分配比例系数K；按照递减反动度分布形式给定动力涡轮首级反动度Ω₁和末级反动度Ω₂；按照恒定相对前缘半径分布形式给定动力涡轮各列叶片相对前缘半径

(4)动力涡轮一维气动设计：采用涡轮一维气动设计程序，完成满负荷工况条件下动力涡轮一维气动设计，得到涡轮一维气动计算模型，以及满负荷工况条件下船用燃气轮机动力涡轮一维气动结果，判断是否满足满负荷工况条件下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(3)时按照递减功率分配规律，调整首级功率和末级功率分配比例系数K，按照递减反动度调整动力涡轮首级反动度Ω₁和末级反动度Ω₂，按照恒定相对前缘半径分布形式调整动力涡轮各列叶片相对前缘半径直至动力涡轮参数满足满负荷工况条件下整机总体性能设计指标要求；