涡轮动叶冷却结构设计方法I:参数化设计

基于冷却结构参数化设计、传统的管网计算方法与新兴的气热耦合数值模拟技术,提出了一套涡轮冷却结构设计方法,并编写了相关的设计程序与计算程序.利用参数化设计方法可以快速而精确地设计冷却结构,管网计算用于指导方案设计,气热耦合数值模拟用于指导详细设计.参数化设计中利用"单元设计法"程序实现动叶冷却通道快速设计;借助管网计算模...     

涡轮动叶冷却结构设计方法Ⅰ:参数化设计

基于冷却结构参数化设计、传统的管网计算方法与新兴的气热耦合数值模拟技术,提出了一套涡轮冷却结构设计方法,并编写了相关的设计程序与计算程序。利用参数化设计方法可以快速而精确地设计冷却结构,管网计算用于指导方案设计,气热耦合数值模拟用于指导详细设计。参数化设计中利用单元设计法程序实现动叶冷却通道快速设计;借助管网计算模型自动生成程序与CFD计算域三维实体快速造型方法,可以快速生成管网计算或在较短的时间内完成CFD计算域精确建模,为热分析计算提供条件。     

深度学习方法在涡轮冷却中的应用综述

涡轮冷却技术是涡轮设计的关键技术之一.涡轮冷却结构的表面温度和压力均为复杂的三维分布,但目前的设计体系仍基于低保真度的一维管网,深度学习可能是提升涡轮冷却设计保真度的一种有效手段.本文总结了几种纯数据的神经网络模型和几种与物理规律结合的神经网络模型在涡轮冷却问题中的应用.通过巧妙地将涡轮冷却问题看待为图像、序列和参数的...     

涡轮动叶冷却结构设计方法Ⅲ:气热耦合计算

三维气热耦合数值模拟是涡轮叶片冷却结构详细设计中应用的热分析方法。三维气热耦合数值模拟的计算域实体模型建立借助于参数化方法,模型包括冷却结构尽可能多的细节、并保证足够高的模型精度。网格生成时,流体域采用结构化网格,并且需要在换热壁面上根据湍流模型的要求进行加密。将管网计算结果与三维数值模拟结果进行对比,发现管网计算的精度有限,而气热耦合计算方法能够捕捉更多流动换热现象,计算结果相对可信。对单个冷却结构方案进行三维数值计算的周期为5～15天,基本满足工程设计要求。     

基于损失模型的气冷涡轮性能预测

本文介绍的气冷涡轮性能预测是以一元特性计算方法为基础的,其中考虑了涡轮叶栅的叶型损失、二次流损失、漏气损失和尾缘损失,还引入了气冷涡轮的掺混损失。并将损失模型计算的不同攻角的损失系数分布与CFD模拟结果进行了对比。根据涡轮级动叶不同的工作状态,选取不同的自变量组合形式,使其能够用于计算亚音速、跨音速、有冷却和无冷却涡轮的性能。最后针对某型涡轮给出了性能预测结果。     

燃气涡轮机气冷涡轮气动设计体系设计思想及其应用

由于燃气涡轮机的发展,作为燃气涡轮机最重要的部件气冷涡轮,其负荷与涡轮前温度不断提高,为适应这一发展,气冷涡轮气动设计体系与设计思想均有了新的发展.本文的目的就是从三个方面分析与介绍这一发展内涵.第一部分,重点介绍气冷涡轮气动设计体系的发展、介绍主要程序的特点与分层优化设计过程.第二部分,重点介绍应用平均方程在计算气冷涡轮气动问题时,如何提高计算的可靠性与计算精度.第三部分,重点介绍气冷涡轮三维气动设计思想.     

涡轮导叶气膜冷却结构半反设计优化方法

气膜冷却技术是高性能燃气涡轮设计的关键。本文研究并建立了涡轮叶片气膜冷却结构的半反设计优化方法。此方法以叶片的一维传热模型为基础,通过约束叶片的气膜冷却效率分布实现对叶片温度分布的半反设计;提出了基于三维CFD计算结果建立半反设计优化数学模型的方法,并采用组合优化问题遗传算法寻优得到满足设计约束且冷气量最小的气膜冷却布置方案。研究表明,气膜冷却半反设计优化方法能够设计叶片气膜布置方案并得到必要的冷气量,同时具有较高的设计效率。     

某型涡轴发动机涡轮设计与分析

针对某型850马力涡轴发动机,本文采用多圆弧和五次曲线造型方法,初步尝试开展了高压涡轮和动力涡轮的气动设计。对高压涡轮静叶采用了冷却结构,以降低静叶表面温度。对其进行了CFD计算和分析,结果表明,所设计的冷却结构有效地降低了静叶表面温度;高压涡轮内部有分离存在,增大了流动损失;动力涡轮无明显分离存在。总体而言涡轮效率达到了设计要求,还需对涡轮的设计进行优化,以提高涡轮性能。     

三维物体稳态及瞬态温度场的有限元分析(复合冷却涡轮叶片三维温度场计算)

本文用有限元素法计算了涡轮叶片的三维稳态及瞬态温度场.计算的边界条件包括燃气加热,内部对流冷却,气膜冷却和冲击冷却的对流换热.计算结果表明,该冷却叶片的温度分布是合理的;计算程序可用于工程实际.     

求解叶栅跨音速流动反问题的有限体积方法

本文阐述了一种求解叶栅跨音速流动反问题的方法.流场的数值模拟以有限体积法为基础.应用这一技术设计叶型,型面上气流压力将达到预先规定的值.文中介绍了这种方法求解的基本方程系统和离散格式,着重讨论了壁面调整的方法、壁面压力的计算以及求解过程等问题.为论证方法的有效性,给出了几个跨音速涡轮叶栅的计算结果.     

叶顶射流对涡轮流场及气动性能影响

通过对带有前缘气膜冷却的C3X涡轮叶片的传热和气动试验结果进行计算验证,表明所使用计算方法在对带有冷却射流的跨音涡轮压力及温度进行的预测具有较高的精度,在此基础上针对某型发动机低压涡轮,通过CFD数值模拟研究其叶顶冷却射流对叶顶泄漏流及涡轮性能的影响规律,并通过详细分析叶顶流动揭示该规律产生的原因;然后通过改变不同叶顶...     

涡轮叶片压力面旋转气膜冷却数值模拟

通过数值模拟的方法,揭示了整级涡轮叶片在旋转状态F的气膜冷却特性.计算采用六面体结构化网格,湍流模型选用k-ε两方程模型.计算中,主流进口雷诺数为7.7×104,旋转数分别为2.092,2.324和2.448,吹风比分别为0.5、1.0、1.5和2.0,冷却工质采用空气,对应射流主流密度比为1.03.计算结果与之前的实...     

燃气涡轮复杂结构冷却叶片数值研究

采用参数化的建模方法对两级四列某舰用涡轮冷却叶片进行了冷却结构的设计。通过参数控制复杂涡轮冷却叶片能够方便快捷地生成几何模型,并且为后期冷却结构的修改也提供了极大的便利,参数建模是气冷涡轮叶片设计方法进行工程化应用的前提条件。应用分块化结构网格构造复杂涡轮冷却叶栅进行网格分区时既要保证易于生成高质量网格,又要注意不能过多增加网格分区,增加计算误差。冲击冷却和气膜冷却等措施能够有效保证叶片正常工作,蛇形通道加扰流肋片能够提高叶片的冷却效果。     

涡轮静叶尾缘开槽冷却特性的数值研究

本文用三维数值模拟的方法,对某具有尾缘开槽冷却的涡轮静叶栅进行了详细的气热耦合计算与分析,研究了具有尾缘开槽冷却形式的涡轮静叶片的冷却特性,并结合叶片表面温度分布和静压分布对比分析了叶片在不同吹风比下该冷却方式对流场气动性能的影响。气热耦合计算结果表明:此种尾缘开槽的冷却形式可以对叶片尾缘高温区起到有效的冷却效果,同时使主流通道的气动喉口向上游迁移,在冷却槽口区域引起主流的压力波动。     

进气方式对冲击与气膜组合冷却效果的影响

通过数值模拟的方法,研究了涡轮叶片弦中区所采用的新型双层腔冷却结构的冷却特性,系统分析了冲击与气膜组合冷却的流动与换热特性,讨论了冷气进口雷诺数Re、吹风比M以及进气方式对组合冷却效果的影响.计算参数范围是:冷气进口雷诺数Re=2000～5000,吹风比M=0.6～2.0.计算结果表明:冷气进口雷诺数、吹风比以及冷气的进气方式对组合冷却效果均有很大影响.(1)冷气进口雷诺数越高、吹风比越大,组合冷却效果越好.(2)反向进气时的组合冷却效果明显好于正向进气时的组合冷却效果.     

应用有限差分进行涡轮气热弹耦合计算关键性问题的研究

分析了涡轮发动机涡轮内的气热弹耦合现象,并讨论了气热弹耦合研究方向及基本步骤,为了采用有限差分进行涡轮气热弹耦合数值仿真,详细地讨论了该方法的关键性问题:模型方程、边界条件、差分格式、结构化网格块群、固体应力场的求解以及数值仿真平台的建立.最后通过几个简单的算例初步验证了该方法的可行性和可靠性.     

涡轮排气管对箭底流动结构和气动加热的影响

以安装涡轮排气管和无涡轮排气管的四喷管液体运载火箭为研究对象,通过数值模拟的方法对箭体底部流动结构和气动加热展开分析,研究了涡轮排气管对箭底流动结构和气动加热的影响规律。基于三维多组分Navier-Stokes方程、 RNG k-ε两方程湍流模型、热辐射方程,采用2阶迎风TVD格式离散,建立了运载火箭高空飞行阶段的燃气射流模型,将数值结果与实验数据进行对比,验证了所选用的模型和计算方法的有效性。研究表明涡轮排气管可以改变箭底温度场和流动结构;随着海拔高度的升高,涡轮排气管可以有效地降低箭底对流热流密度,从而起到降低温度的作用;相比于无安装涡轮排气管的运载火箭,箭底近壁面中心区域的压强略有降低,且有向涡轮排气管安装区域膨胀的趋势。     

低展弦比高负荷涡轮气动参数选取准则的分析和研究

本文采用数值模拟方法研究了高负荷涡轮中载荷系数,流量系数、反动度和轴向速比四个参数对涡轮级效率的影响,采用的计算程序以等熵效率公式为基础,并加入了改进的KO损失模型,在一定载荷系数、流量系数、反动度、轴向速比、稠度、轮毂比、展弦比、尾缘厚度/喉部宽度和叶顶间隙/叶高范围内,通过正交实验设计方法分析了各参数对涡轮效率的敏感性,其中稠度、轮毂比、展弦比和尾缘厚度/喉部宽度的敏感性相对较低,可以忽略。与此同时,针对一载荷系数2.6、压比5的高负荷涡轮详细计算分析了载荷系数、流量系数、反动度和轴向速比四个参数对涡轮效率的影响和选取准则,通过综合分析得到了具有一定适用范围的高负荷涡轮气动参数选取参考图。在此基础上,进行了高负荷涡轮气动方案设计,并利用三维数值模拟手段对所设计的气动方案进行了验证,结果表明:三维数值计算结果与一维分析结果偏差较小,采用此准则选取相关气动参数可以设计出满足条件并且性能良好的高负荷跨声速涡轮。     

跨音速叶栅流场计算的多网格法

本文是对多网格法应用于求解Euler方程的探讨,文中以MacCormack显式两步差分格式为基础,提出了一种简单的求解积分型Euler方程的多网格算法,阐述了这种方法的基本思路,研究了稳定条件和一种新的人工粘性形式.文中还进行了几种跨音速涡轮叶栅流场的计算,用以说明多网格法在缩短计算时间上的效果。     

涡轮引气对间冷回热涡扇发动机性能和排放的影响

通过引入涡轮冷却气流量预估模型和NO_x排放预估模型,进一步发展了间冷回热涡扇发动机计算模型和相应的仿真程序。数值分析了涡轮冷却用气引出位置和引气量对间冷回热涡扇发动机的性能和排放的影响。结果表明,从回热器冷端出口引气时,耗油率低于从高压压气机出口引气的情况;涡轮冷却技术提高即冷却用气量减少对降低耗油率有益;从回热器冷端出口引气对减少巡航状态NO_x排放有益;对NO_x排放量影响最大的是燃烧室技术水平。