两级跨音湿蒸汽离心透平的设计与气动分析

以湿蒸汽为流动工质,利用一维方法,进行了两级跨音湿蒸汽离心透平的气动初步设计,并采用平衡凝结流动模型,对该两级透平进行流道优化设计与性能分析。所设计的离心透平在进汽干度为0.995 kg/kg、压比为10.15的设计工况下,功率为250.62 kW,轮周效率为82.838%。在变工况条件下,通过调节转速、蒸汽干度、进汽压力、进汽温度与出口背压,获得了两级跨音湿蒸汽离心透平的性能变化规律。结果表明:低转速下小膨胀比的透平效率高,高转速下大膨胀比的透平效率高;进汽干度大的透平效率高;随着膨胀比的增大,效率先增大后减小,存在最佳膨胀比对应的极大值。     

离心式涡轮增压器透平的设计与分析

离心式涡轮增压器透平具有与传统透平不一样的结构,本文对某一小流量、高转速、小轮径的离心式透平进行一维气动设计、三维流场模拟与优化以及变工况性能研究。首先,对流体工质以及流动过程进行简化处理,获得一维气动设计的结果;接着,采用计算流体力学软件对离心透平级进行数值模拟,通过改变叶片数目、叶片厚度、中弧线形状等进行叶型优化,获得更合理的流场;最后,分析不同转速、不同流量(背压)下离心式透平的变工况性能。     

有机工质向心透平气动设计与变工况性能预测

本文按实际气体计算有机工质蒸气物性,编写有机工质向心透平气动设计和变工况性能预测程序,对以R123为工质的向心透平进行气动设计优化、变工况性能预测计算。通过数值实验模拟分析三维流动情况和整机性能,结果显示透平设计和性能预测结果有效、可靠,但气动设计对强激波引起的损失及气流偏转估计不足,需要改进气动设计和性能预测方法,优化叶型。     

超临界二氧化碳向心涡轮设计及变工况性能预测

本文针对以超临界二氧化碳(S-CO_2)为工质的向心涡轮,在常规一维分析方法的基础上,引入相应的损失模型,开发出适用于真实气体工质物性计算的一维气动设计程序和一维变工况性能预测程序。文中首先利用试验对损失模型的准确性进行了验证,进而针对某S-CO_2向心涡轮,利用所开发程序进行了设计和性能分析,并采用三维CFD方法进行了数值模拟。结果显示,设计方案的气动性能和变工况运行性能良好,并且一维计算结果与三维模拟结果总体吻合,说明一维程序的分析结果精确可靠;但一维预测程序对于堵塞点质量流量计算值偏高,为程序进一步改进指明了方向。     

弱化激波涡轮叶栅研究

激波问题严重影响超/跨音涡轮气动性能、冷却特性和结构完整性,因而,弱化激波设计是高负荷涡轮研究的热点之一。针对这一问题,本文以两个典型超/跨音涡轮叶栅为例,以伴随方法寻优为手段,给定流量和出口气流角约束,在不同工况点下进行优化,并对比研究变工况特性、流动特征和造型参数,探索弱化激波涡轮叶栅设计技术及规律。     

离心透平一维气动设计与优化

以离心透平为研究对象,采用完全气体为流动介质,在效率最优的前提下,提出了一种完全径向出气(α_2=90°)的一维气动设计优化方法,并与效率最优、无约束出气的一维气动设计方法进行比较,结果表明:在压比ε~*=0.625,反动度在0～0.5范围内的情况下,无论是否存在余速利用,无约束出气和完全径向出气对应的最佳速比和最佳轮周效率随反动度的变化规律基本一致;在变压比的情况下,该一维气动优化设计方法得到的最佳轮周效率与无约束出气设计方法得到的最佳轮周效率相差不超过0.5%。但是由于约束了α_2=90°,减少了一个设计变量,简化了设计过程。因此可以用该设计方法进行离心透平的优化设计。     

天然气管线四级离心压缩机级间气动影响研究

本文以某天然气管线用四级离心压缩机为研究对象,通过数值分析压缩机在整机模型、逐级叠加模型和单独模型下的流场和气动性能,研究多级离心压缩机的级间气动影响规律及作用机制。结果表明,在设计工况下,逐级叠加模型的预测精度具有一定的可信度,而在非设计工况下,级间气动影响显著,逐级叠加模型得到的整机总压比低于整机模型;相对于单独模型,整机模型的第二级进口相对马赫数和气流角沿叶高方向分布更为不均,在近喘工况尤为明显;级间影响会破坏通流区流动稳定性,在多级离心压缩机设计过程中应充分考虑级间影响。研究工作对深入了解级间气动影响并完善多级离心压缩机气动性能预测模型具有参考价值。     

向心透平初始设计自动进化寻优方法与变工况性能预测模型

发展了一套向心透平初始设计自动进化寻优方法及变工况性能预测模型。借助遗传算法,以向心透平的总-静效率为目标函数,在给定范围内选取载荷系数Ψ、流量系数φ以及转速n的最佳组合,配合变工况性能预测模型,快速得到性能曲线。以1996年Jones发表的T-100透平为例校核本文设计方法,结果表明设计结果略胜于T-100透平。变工况性能实验数据、CFD结果以及预测模型结果对比,CFD结果普遍偏高,预测模型结果在低于设计速比工况下更接近实验数据。     

斜流/离心压缩机初步设计和分析方法研究

依托两区模型开展了单级斜流/离心压缩机的初步设计和分析方法研究,验证了基于SOA-TEIS混合扩压度模型的改进ODP问题迭代方法在斜流/离心压缩机初步设计和分析中的准确性。采用本文方法对Krain高比转速叶轮和低比转速叶轮模型进行了一维设计和分析,并将结果与实验数据进行了对比,结果表明:本文所述方法可在减少对工程经验参数选取依赖性的同时,实现较准确的斜流/离心压缩机的初步设计计算和非设计工况性能预测,且易于程序化实现,采用被动滑移因子计算方法获得的设计点附近工况的等熵效率预测偏差在1%以内。     

透平级非设计工况气动性能的数值模拟

采用新型 ＬＵ隐式格式和改良型高阶 ＭＵＳＣＬ ＴＶＤ格式求解全三维雷诺平均的 Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和 ｑ－ｗ低雷诺数双方程湍流模型,对一台ＮＡＳＡ跨音单级透平在不同工况下的内部流场进行了详细的数值模拟,并与可能得到的实验结果进行了对比。总结了小流量工况下动叶内部流动的分离模式。     

离心式透平的变工况特性研究

本文以完全气体为流动工质,进行离心透平级的气动设计与性能研究。采用数值模拟方法,对所设计的离心透平级进行设计工况及变工况条件下的三维稳态流场分析。结果表明:在设计工况下,流道内的流场合理,流线流畅,气动性能符合预期;在变工况条件下,当转速一定,随着背压的降低,流量缓慢增大,效率先缓慢下降,再迅速下降。随着背压的升高,流量和效率都是先缓慢下降,再迅速下降;涡流的出现会导致变工况点的效率的迅速下降;转速增大对流量几乎没有影响,转速增大可使最佳效率点向压比p_2/p_1小的方向移动;转速减少对流量也几乎没有影响,转速减少可使最佳效率点向压比p_2/p_1大的方向移动;进口温度的变化对级效率影响较小,质量流量随进口温度的增大而降低。     

基于分组模型及仿生蜗舌的多翼离心风机设计

为提高多翼离心风机的流动效率,提出一种适合于该类型风机特点的分组设计模型,并借助于流场计算与试验设计相结合的分析方法,依次对多翼离心风机的叶轮、蜗壳和蜗舌进行分组设计。结果表明:具有更多设计自由度的双圆弧叶片气动性能明显优于单圆弧叶片;在保证蜗壳结构尺寸不变的前提下,采用等边基方法设计的蜗壳性能略优于三段圆弧设计出的蜗壳;基于长耳翼型前缘的仿生蜗舌能够有效减弱分离流动现象;利用本文方法改进后的多翼离心风机设计效率提高了4.33%,变工况性能明显改善。研究工作对深刻认识多翼离心风机内部复杂流动机理及发展优化设计方法具有学术意义和工程应用价值。     

有机工质离心透平设计与变工况性能研究

本文以R123为流动工质,进行离心透平级的一维热力计算,并通过数值模拟分析ORC离心透平级内流动情况及变工况性能。结果表明:在设计工况下,数值模拟结果与一维设计结果基本一致,功率与效率偏差在1%以内,符合设计要求。在变工况下,进汽压力在0.33~0.88 MPa变化时,效率随进汽压力增大先增大后减小,流量和功率随进汽压力增大而增大;背压在0.10~0.18 MPa变化,在临界工况下运行,效率和功率随着背压的增大而减小,流量保持不变;初温改变对透平生能影响较小,效率变化范围在1%以内;转速变化时,流量不变,效率先增大后减小,设计转速下效率最高。     

GZ680废气透平增压器的气动热力学设计及其性能

本文介绍了GZ680增压器的离心压气机与轴流透平的气动热力学设计思想及特点。给出了压气机模化试验件的特性和增压器的平台试验结果。本增压器与柴油机进行了配机试验,显示出它的性能良好。文中给出了GZ680增压器与VTR501增压器配同一台柴油机时的性能比较。     

缘线匹配技术在轴流透平设计中的应用探索

缘线匹配技术是叶轮机非定常气动设计技术,它以叶轮机相邻叶排前、后缘线空间相对位置为非定常设计自由度来进一步提升叶轮机性能,这在叶轮机定常设计框架下是不能考虑的。本文以单级蒸汽透平设计为例对缘线匹配非定常设计技术进行数值研究,初步展示了缘线匹配的应用方法及其设计验证,数值计算结果表明缘线匹配技术为叶轮机非定常气动设计提供了有效的设计自由度。     

基于遗传算法的离心压缩机叶栅多点优化设计

离心压缩机元件的气动设计通常是根据一个给定工况点设计其几何形状。如此设计的元件在该设计工况点一般能保持较好的气动性态,但当实际运行工况改变时,性能往往会恶化。本文将机翼的多点设计思想引入离心压缩机叶栅的优化设计,并应用遗传算法对这类多目标优化问题进行求解,希望由此获得在运行工况间能较好折中的叶栅型线设计。以离心压缩机扩压器叶栅为例,在两个给定设计工况下采用所提出的方法求解其最佳叶片型线。数值结果显示,方法是有效和可行的。     

轴流透平通用叶型设计模块开发

1前言在叶轮机械气动热力设计体系中，叶型设计是最基本而关键的一环，叶型的好坏及选用适当与否对机组性能有非常大的影响。本文的工作是我们研制的多级轴流透平通流部分气动热力设计体系中的重要组成部分，其目的是要在满足结构、工艺、强度等约束条件的同时，高效、准确地设计出具有良好气动性能的叶型。本模块采用高档微机网络和中文NT操作系统作为支撑环境，选用商业化的CAD／CAM软件作为主要开发工具，在其基础上进行二次开发[1]。2叶型设计的类型与方法根据不同的已知条件，轴流透平叶型设计工作可分为三种类型：2．1已知初始叶…     

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.     

离心压气机回流器三维气动优化设计

回流器作为多级离心压气机两级间非常重要的连接部件,其内部的二次流动十分显著。回流器的设计目标是以尽可能小的损失对上一级出口气体进行整流,减小下级叶轮进口处的流场畸变。本文通过对回流器流道和整流叶栅进行参数化建模,采用多岛遗传算法对某多级离心压气机回流器进行基于N-S方程数值求解的三维气动优化设计,着力于提高变工况条件下回流器的级等熵效率以及使变工况条件下回流器的出口气流角尽可能均匀。     

某跨音风扇转子全三维设计与数值模拟

本文采用与三维流场分析程序相匹配的任意叶轮机通用叶片造型程序,进行某单级高通流、跨音、宽弦长风扇转子设计。在设计过程中,通过调整转子进口流量、出口总压、叶片最大相对厚度和前后缘厚度等参数沿径向的分布,弯度和最大弯度位置沿弦向的分布,从设计上减弱了叶片上部的激波强度、降低了激波及其关联的损失,克服了该转子叶尖高相对马赫数和低损失、高效率的矛盾。最终获得满足气动性能和结构强度的风扇转子.