基于机器学习XGBoost算法的跨音速离心压气机扩压器气动优化设计

本文以某跨音速离心压气机扩压器为研究对象,提出了一种叶型参数化方法和优化流程,采用机器学习XGBoost算法以及全局寻优模型对其进行了气动优化。研究结果表明,该回归优化模型可以在较少的迭代步数内获得全局最优解,优化速度比传统代理模型具有显著的提升,优化精度与CFD仿真结果相当。优化后的扩压器能够在保证离心压气机压比基本不变的条件下,峰值效率提高1.03%,稳定裕度提高4.79%,对优化后扩压器内部流动进行了分析,讨论了不同设计参数对离心压气机的影响,为离心压气机扩压器设计提供了指导。     

离心压气机叶片扩压器气动优化设计

本文以某高速离心压气机叶片扩压器为研究对象,采用Kriging模型在设计工况下对其进行气动优化设计,以获取较高的"叶轮 扩压器"等熵效率,同时保证扩压器出口静压不降.Kriging模型大大加速了设计过程,得到的优化结果和原始设计相比,在性能上有了较大改善.     

扩压形式对离心压气机性能影响

对采用无叶扩压器、叶片扩压器以及串列叶片扩压器的车用增压器离心压气机内部流动进行了数值分析,研究了不同扩压形式对压气机性能的影响。结果表明,低稠度叶片式扩压器在设计工况点附近可以有效提高压气机效率;串列式叶片扩压器则可以改善叶片扩压器流量范围减小的问题。在小流量工况下,气流角与设计工况不同,攻角增大,使得流动分离加剧,损失变大。通过调节叶片安装角可以减小气流攻角,改善压气机性能。基于本文研究结果,可以为全可调离心压气机的设计和调节策略的研究提供理论依据。     

可调扩压器端隙控制对离心压气机性能影响

在飞机飞行包线内,高速电机直驱可调离心压气机可通过扩压器调节以满足飞行工况下客舱增压系统的供气需求,并使压气机始终工作在高效区,从而满足飞机客舱环境的舒适性并降低增压系统能耗。对于可调扩压器,扩压器叶片两侧存在端隙。在扩压器叶片高度较小的情况下,较大的隙高比导致扩压器内端隙泄漏严重,给压气机性能带来较大的负面影响。以抑制可调扩压器端隙泄漏、提高压气机效率为目的,本文首先分析了扩压器端隙对压气机性能的影响,在此基础上,设计了一种将扩压器叶片端部部分封闭从而改变端隙泄漏路径的整体式可调扩压器结构,研究了该扩压器结构对于端隙泄漏的抑制效果以及对可调压气机性能的改善幅度。结果表明,相对于传统可调扩压器,整体式扩压器结构可有效抑制可调扩压器叶片端隙泄漏损失并提高可调压气机效率。对于本文所研究的可调压气机,峰值效率可提升1.1%,对应压比可提升1.3%。     

有叶扩压器的流场分析

本文利用计算流体力学通用软件了进行离心压气机扩压器的初步设计工作。参照有关文献[1~8]中的设计公式,本文进行了以下几种扩压器的几何造型和数值计算: (1)双圆弧中心线机翼型叶片扩压器; (2)楔形扩压器;(3)用优化程序设计的扩压器,给出了各扩压器造型在给定边界条件下流场的马赫数、静压、总压的分布,计算出各扩压器造型的静压比和总压恢复系数。最后对设计的扩压器与叶轮一起连算,以取得更接近实际情况的计算结果。通过对计算结果进行的分析比较,得到了离心压气机扩压器设计中有价值的初步性结果,为进一步的设计提供了改进途径和相应的基础数据。     

叶身融合在径向扩压器中的应用初探

离心压气机负荷能力持续提升,进一步加重了径向扩压器的工作负担,流道内角区分离是径向扩压器高性能工作的关键制约因素。叶身融合是针对组织与控制角区流动而提出的一项新技术。本文针对一带叶片式扩压器的高压比离心压气机级展开数值模拟,在对原型流动细致分析的基础上,实施吸力面叶身融合设计,在一定程度上推迟和减弱了角区分离,使得峰值效率提高近0.4%,近阻塞点效率提升近0.7%,压比略有提升而喘振裕度未受影响。对比分析了叶身融合设计对流场结构影响,给出了性能改善原因。     

离心压气机叶片三维气动优化设计

本文针对离心压气机叶片的倾和掠的特征,建立三维气动优化设计系统.采用NURBS曲线和曲面分别对离心压气机叶片前缘基迭线和中弧面进行参数化建模,相应控制点作为优化设计变量,以提高不同工况下离心压气机的整级效率为优化目标,同时采用变复杂度模型的优化策略缩短优化设计周期.算例结果表明这种离心压气机叶片三维气动优化设计方法对提高整级效率具有良好效果.     

离心压气机的叶片扩压器设计及流场分析

本文设计了三种不同的叶片扩压器与前期设计的100 kW级离心压气机的叶轮进行匹配,并进行了数值模拟.结果显示三种叶片扩压器入口平均马赫数为0.8,流场内不存在局部超音区,避免出现激波与边界层的相互干涉以减小损失。扩压器入口气流角与设计值最大偏差小于4°。采用三种叶片扩压器的离心压气机总体性能均满足设计要求,尤其是采用双圆弧法设计的翼型扩压器总体性能和内部流场分布都明显优于另外两种扩压器。     

高压比的斜流叶轮与扩压器匹配设计方法的改进

针对高压比的斜流压气机设计过于依靠叶轮的性能,容易出现较为严重的扩压器与叶轮的匹配问题,改进了斜流压气机的叶轮扩压器匹配设计方法.把叶轮及叶轮出口的无叶扩压器段作为一个整体,将单一的叶轮出口设计扩展为叶轮出口加出口无叶掺混段设计,将掺混过程用一个连续的过程描述,来提高一维设计方法的匹配设计能力.用该方法完成某单级斜流压气机的气动设计,级性能满足设计要求,表明改进后的匹配设计方法可用于高压比的斜流压气机设计.     

离心压气机稳态及过渡态轮盘侧泄漏的研究

本文面向高压比离心压气机系统开机启动及加速过程中轴承润滑油气泄漏问题,建立了包含叶轮、无叶扩压器及蜗壳、轮盘侧密封流道和管路系统的集成参数模型,并运用三维CFD模型获得了压气机各主部件及轮盘侧密封流道的气动性能。研究得到了压气机流量-压升特性曲线上的轮盘侧回流临界线和各转速下的阀门开度的最大阈值,并预测了过渡态下压气机性能及回流线与稳态的差别。研究工作为解释高速离心压气机开机启动及加速过程中轴承润滑油气泄漏提供了理论参考,同时对此类过程中压气机的流量提出了控制方案。     

带突扩段有叶扩压器的设计与分析

本文针对离心压气机采用突扩转接段后的设计问题,初步探讨了其内部流动规律,进行了型线的优化设计。首先进行的子午面计算,确定了扩压器的型线,然后对无叶扩压器作了三维数值模拟,保证了叶片进口参数的平滑均匀。最后完成了带叶扩压器的三维计算。数值计算结果表明,出口马赫数、总压恢复系数和出气角均达到了设计要求。设计的完成为复杂扩压系统的设计与数值模拟打下了良好基础。     

CAES离心压缩机可调扩压器调节规律研究

离心压缩机是压缩空气储能系统中关键设备之一,需具备在较宽流量、压力范围内高负荷高效率运行的能力。作为一种变工况调节技术,可调扩压器可以扩大压缩机工作流量范围,改善气动性能。因此,本文以某压缩空气储能系统用离心压缩机为研究对象,通过数值计算方法研究了可调扩压器调节时压缩机性能变化规律。结果表明采用可调扩压器可以有效拓宽压缩机运行特性,工作流量范围扩大44%,压比范围扩大25%.此后,本文采用Kriging模型获得了压缩机综合性能曲线图和不同储能工况需求下扩压器的调节方案及规律,为压缩空气储能系统离心压缩机变工况主动控制提供了依据。     

离心压气机低稠度串列叶栅扩压器流场数值分析

1前言无叶扩压器有宽广的工作范围，但其压力恢复系数低；有叶扩压器可以得到较高的压力恢复系数，但工作范围会变小。低稠度叶栅扩压器取消了喉口，这样就解决了大流量时喉口堵塞问题。1981年文献山第一次提出了低稠度叶栅扩压器的概念，而后文献问以及文献门做了进一步的工作。文献间的实验证明使用串列低稠度叶栅使扩压器压力恢复系数比无叶扩压器在设计点提高15％，在低流量区提高40％，级效率在100～7O％流量范围内提高4O～IO％。为了进一步了解低稠度串列叶栅扩压器内部流场及其工作性能，掌握低稠度串列叶栅扩压器内部流场分析计算…     

黏性耗散对离心压缩机气动性能的影响

针对小流量系数离心压缩机,考察了流体的黏性耗散效应对流动损失的影响程度.通过压缩机模型级的实验测量和数值模拟,分别分析了压缩机级和叶轮在有、无黏性耗散影响下的流动性能.结果表明:当不考虑黏性耗散损失时,压缩机模型级具有较高效率;在黏性耗散效应的影响下,流动的多变效率约降低8个百分点.另外,不同的机壳间隙对多变效率也存在...     

响应面方法在叶片扩压器优化设计中的应用研究

本文应用响应面方法完成了某叶片扩压器的优化设计。通过改变叶片数和出口安装角构造扩压器,进行CFD分析,建立样本数据。基于不同的样本数,用响应面方法寻求的最佳设计点在大致相同的区域,而且与CFD分析结果相比误差很小。表明,响应面方法可以通过较少的样本准确拟合设计变量与响应变量的关系,在流体机械性能预测和多变量优化设计问题中有很好的应用前景。     

叶片尾缘掠型对离心压气机特性影响研究

针对叶片尾缘掠型对离心压气机特性影响开展了数值仿真与试验验证的研究工作,详细分析了尾缘掠型对压气机特性的影响规律和压气机叶轮内部流动特征,研究结果表明:尾缘掠型能够提升压气机出口的总压,使离心压气机压比变高,自由掠叶型相比于斜掠叶型,压比会进一步提升。叶片尾缘掠型能够有效抑制尾缘流动分离与叶间泄漏效应的结合效果,降低流动分离强度和分离区域,提升叶轮的稳定工作范围与效率。试验验证结果表明采用自由掠型尾缘叶轮,压比随着转速的升高提升幅度变大,最多提升了9.14%,喘振线明显向左偏移,运行流量范围拓宽。尾缘掠型能够有效提升压气机压比和稳定工作范围,是改善压气机特性的有效手段。     

三维跨音速压气机叶栅多目标气动优化设计

提出了一种多目标差分进化算法(MDE),典型函数试验结果表明该算法具有优秀的多日标寻优能力,满足多目标气动优化设计的要求.耦合并行多目标差分进化算法、三次B样条曲面造型方法和CFD求解技术,提出了新的轴流式叶轮机械叶栅三维多目标气动优化设计方法.选择等熵效率和总压比为目标函数,完成了NASA Rotor37转子叶栅的多目标气动优化设计.优化后叶栅的气动性能明显提高,表明该方法具有良好的优化性能和应用前景.