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简单径向平衡法

/simple radial equilibrium method/
条目作者姚秀平

姚秀平

最后更新 2023-01-13
浏览 137
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基于圆柱面流动假设和简单径向平衡方程的透平(包括汽轮机和燃气透平,也可包括轴流式压气机)长叶片级流动计算方法。又称圆柱流面计算法。

英文名称
simple radial equilibrium method
又称
圆柱流面计算法
所属学科
工程热物理及动力工程

透平长叶片级内的流动是黏性、可压缩、非定常的三元流动。对此直接计算,面临着难以克服的数学困难,因此,实际计算中常引入一定简化。考虑到透平长叶片级计算一般只涉及级前间隙、动静叶轮之间间隙和级后间隙三个特征截面(即图中的0-0、1-1和2-2截面),对于中等长度(径高比>5)、内外壳均为圆柱面的长叶片级,可假定气体的流动是定常、轴对称、沿圆柱面的流动,并假定气体参数沿轴向不发生变化。此外,对黏性力的影响还可做一种比较实用化的处理,即:只考虑黏性力“历史积累”影响,而不考虑其“现行”或“当地”影响。具体来说,就是在动量方程中略去黏性力,而各基本方程所涉及的参数都用考虑了黏性力影响后的参数。在此条件下,气体的运动将满足方程:


式中为密度;为圆柱半径;为气体静压力;等号右侧为单位质量气体圆周分速所产生的离心力;左侧为单位质量气体的径向压力梯度。

该式表明在这种长叶片级中,气体圆周分速所产生的离心力只为径向静压差所平衡,因此被称为简单径向平衡方程。

长叶片级的三个特征面及径向平衡图长叶片级的三个特征面及径向平衡图

简单径向平衡方程只描述了气体沿圆柱面流动时,圆周分速和气体静压力两个独立变量之间的联系,而没有限定在叶片高度方向上如何变化。所以,在具体计算中,还需在截面0-0、1-1和2-2上分别规定一个(并且只能规定一个)补充条件。规定什么样的补充条件,就会得出什么样的气流参数分布规律,即得出什么样的流动模型,这种计算又称流型计算。常见的利用简单径向平衡法设计的流型有等环量流型、等出气角流型、等密流流型等。

简单径向平衡法最初于20世纪40年代中期针对个别设计特例提出,之后由中国的吴仲华和L.沃尔芬斯廷50年代进行了深入系统的研究,在20世纪60~80年代曾被广泛应用于内外壳均为圆柱面的透平长叶片级,包括汽轮机的中压级、燃气透平各级和多数压气机级的流动计算。在80年代以后,由于高速电子计算机的广泛应用和数值计算技术的快速发展,简单径向平衡法的应用范围已大大缩小,实践表明,引入必要的实验修正,该方法仍然是一个适用于中等长度叶片级计算的可靠方法。

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