多维度气动设计参数对涡轮宽工况性能影响研究
摘要
船舶燃气轮机在其大部分寿命期内均处于非设计工况，低工况会导致涡轮叶片的冲
角、马赫数等参数发生改变，进而造成流动分离，导致整机效率下降。目前，国内对于
宽工况涡轮设计研究工作较少且零散，现有研究主要是通过调整动叶二维叶型设计开展，
缺乏整体层面的多维度涡轮设计及设计规律的研究。因此，为了实现船用燃气轮机在全
工况下的高效运行，需要从多个维度出发进行宽工况范围涡轮设计方法研究。
本文首先从涡轮载荷系数为1.4-1.7和流量系数为0.55-0.75两种一维设计参数出发，
较为系统地分析了一维设计参数对宽工况涡轮性能的影响。分析了设计工况和低工况状
态下涡轮的流场与损失特性，揭示了载荷系数、流量系数和涡轮效率的内在关联，提出
了宽工况涡轮一维设计中载荷系数、流量系数的选取和设计准则。
同时，基于对2-4级涡轮的宽工况性能研究，结果表明：经过前排叶栅整流的后排
叶栅攻角变化量减小，获得了不同级数下涡轮流动损失的变化规律，明确了涡轮级数的
选取原则。承担负荷更高的涡轮级放置于涡轮的中后段，能够保证低工况时负责主要输
出功率的涡轮级的高效流动及稳定效率。
继而，针对宽工况涡轮动静叶间匹配问题，选取了二维叶型设计参数如静叶出口几
何气流角、静叶尾缘楔角、动叶进口几何气流角、动叶前缘楔角，开展了不同设计参数
下设计工况和低工况状态下涡轮的流动特性的比较研究，探究了宽工况条件下流动分离
点的迁移与载荷系数分布规律，明晰了动静叶参数的改变对下游叶排的影响，提出了叶
片二维参数在宽工况叶型设计中的选取和设计准则。对于静叶二维参数而言，叶片折转
角增大，动叶流动分离点向吸力侧移动，叶片承载载荷最大的位置向尾缘移动，减小了
吸力面流动分离，并且在30%工况条件下，小尾缘楔角静叶使下一排动叶分离涡幅度减
小。对于动叶二维参数而言，在30%工况条件下，动叶进口气流角增大会使动叶吸力侧
分离涡增加，且第二级静叶叶背熵增区域增加，损失增大。大前缘楔角会使叶根与叶尖
处做功能力略微提高，但会给叶中部分带来微小的损失增幅。
最后，基于设计工况与低工况三级涡轮的流场分析，依托获得的宽工况涡轮设计参
数选取规律，开展了大子午扩张涡轮柱面优化改型与锥面优化改型，并着重关注在叶片
造型不同方式下对涡轮流场特性的影响。确定了改型涡轮具有更加良好的宽工况性能，
发现了锥面改型轴向投影存在的角度使轴向的实际变化角度比圆柱面改型更小，得到结
论：角度变化量一致时，基于圆柱面改型的效果更好。本文研究所获得宽工况涡轮多维
哈尔滨工程大学硕士学位论文
度设计方法，可为船用燃气轮机实现宽工况运行所需的基础气动设计参数选取和叶片造
型设计优化提供相关思路和方案参考。
关键词：宽工况；涡轮；多维度设计；参数选取规律；设计优化
多维度气动设计参数对涡轮宽工况性能影响研究
Abstract
Marinegasturbinesareinoff-designconditionsformostoftheirlife,andlowconditions
canleadtochangesinturbinebladeimpulseangle,Machnumberandotherparameters,which
inturncancauseflowseparationandleadtoadecreaseintheefficiencyofthewholemachine.
Theexistingresearchismainlycarriedoutbyadjustingthetwo-dimensionalbladedesignof
thedynamicblades,andthereisalackofresearchonmulti-dimensionalturbinedesignand
designlawsattheoveralllevel.Therefore,inordertoachieveefficientoperation