基于速比优化的三维透平叶片一维化设计方法

现代透平叶片设计过程中,需要不断调整沿径向分布的几何参数,设计周期长。为了解决此问题,本文构建了一种三维叶片的一维化设计方法：将叶片流道沿径向分割成若干个子流道,对每个子流道进行一维设计,得到其最佳速比与进出口几何角,再使用每个子流道的一维设计结果沿径向叠加构建三维叶片。使用某F级燃机末级的边界条件,应用该方法对其叶片进行重新设计,并利用数值模拟结果中的静叶出口压力、落后角等参数作为额外约束进行精细设计。结果表明：与原始设计相比,优化得到的透平动叶部分区域损失略微增大,流量降低0.26%,但余速损失显著下降,同时轮周效率提高了1.7%,总–总效率提高0.37%,并且轴功增大了1.47%。     

喷水推进轴流泵的水力设计及性能分析

借鉴陆用轴流泵设计经验,利用Concepts NREC软件设计了三种不同安装角的喷水推进轴流泵,并采用三维雷诺平均N-S方程和S-A湍流模型对其流场和性能进行数值仿真。计算结果表明:叶片安装角对喷水推进轴流泵的性能和流场影响较大,动叶进口安装角减小6°后效率可提高3%~5%,叶片进口的狭窄高压区明显改善,动叶吸力面分离区和分离流动损失明显减小,叶片载荷分布更加均匀;静叶进口安装角减小后扬程和效率都有所提高,静叶出口的流场形态得到改善,角区分离得到控制、回流损失减小。     

存在热斑及总压梯度时静叶正弯对透平级气热特性的影响

通过三维非定常数值计算,研究了透平进口存在热斑及总压梯度时静叶正弯引起的高压燃气透平气热性能变化,分析了静叶正弯对动叶壁面、叶顶和端壁热负荷的影响。结果表明:静叶正弯改变了静叶吸力面静压及载荷分布,削弱了端壁二次流,使透平效率略有增加;同时静叶正弯增强了静叶吸力面侧流体从端壁向叶片中部的迁移,削弱了热斑的径向耗散。总压梯度的存在使静叶正弯不会引起动叶壁面二次流结构的显著变化,但热斑耗散程度的减弱会影响动叶热负荷分布。静叶正弯使动叶压力面高热负荷区传热恶化,但可以显著削弱动叶叶顶、下端壁及机匣的高温区域。     

离心透平附属通流部件设计分析

离心透平的通流部件主要包括:进气道、静叶栅、动叶栅、无叶扩压器、出气道,本文对除静叶栅、动叶栅之外的附属通流部件的子午面进行设计。进气道子午面设计采用等截面法,保证级前进气均匀、轴向对称;无叶扩压器采用与叶栅等高的平行侧壁形式,最佳出口直径根据整机效率最优的原则得到;出气道子午面采用与叶栅等高的圆弧扩压弯管设计。结果表明,该方法设计附属通流部件简单易行,特别适合工程应用,以某一离心透平为例,数值模拟得到的级效率为88.51%,整机效率为90.34%,轮周功为478.9 kW,性能达到预期。     

单级高负荷向心透平三维黏性非定常计算

对一台单级高负荷向心透平进行了三维黏性定常和非定常计算,计算得到的动叶出口以及下游的周向平均流场与文献提供的实验结果符合良好。在此基础上对流动的非定常特性进行了分析,发现由于动叶转速较高,且动叶下游不存在下一级静叶的干涉,流动的非定常效应主要体现在叶片排之间的区域以及动叶通道进口,动叶出口以及下游流动的非定常特性并不明显。非定常计算结果透平的级效率随时间的波动幅度达到了1.3%。     

动叶围带顶部泄漏流动对透平级气动性能影响的数值研究

采用计算流体动力学软件CFX-TASCflow数值研究了带围带的动叶顶部间隙内泄漏流动对动叶流动效率以及下一级静叶进口气流角的影响特性.数值模拟了装有不同迷宫式汽封齿数时的动叶顶部间隙泄漏流动特性.揭示了泄漏流动不再是跨叶顶的横向流动,而是在叶顶间隙内沿着轴向流动.给出了动叶顶部间隙泄漏流场的结构,泄漏流与主流掺混后的流场对下游静叶性能的影响.研究结果表明泄漏流与动叶通道内的主流在动叶下游掺混后,改变了上半通道气流的流动方向,使这部分气流偏离设计工况,使下游静叶产生攻角损失.动叶顶部间隙泄漏流有较大的径向速度,在与主流掺混并进入动叶下游静叶后,会向着静叶中叶展处发展,改变静叶上半部流场的结构.动叶顶部间隙汽封齿数增多时这种效果就减小,静叶等熵效率的降低就越少,同时讨论了动叶顶部间隙泄漏流动对透平级气动性能的影响.     

一种基于内燃机余热回收的冷电联供系统

本文建立一种基于内燃机余热利用的冷电联供系统,构建了热力学数学模型,研究了关键热力参数对联供系统热力性能的影响。结果表明:布雷顿循环透平膨胀压比的降低、压气机进口温度的降低及透平进口温度的增加,均有利于系统热力性能的提升;有机朗肯循环透平进口压力的增加能使得系统的电能输出及总效率增加;喷射式制冷循环喷射器进口工作蒸气压力增加能提高制冷量及制冷效率。为了获得联供系统的最佳设计参数和性能,采用遗传算法,对系统进行单目标优化,得出此联供系统最大效率能达到54.22%,此时电能输出为31.58 kW,制冷量输出为3.15 kW,系统能较好地回收内燃机余热。     

压气机悬臂静叶流场非定常数值模拟

以现代高压压气机一排悬臂静叶与一排转叶组成的典型级为研究对象,采用非定常数值模拟方法,分析了非定常与定常数值模拟计算得出的级特性线以及峰值效率点气动参数在展向分布的差异,并对悬臂静叶内部流场结构进行了详细分析,结果表明:当悬臂静叶的轮毂设计间隙为2.5%叶高时,非定常计算的综合喘振裕度比定常大5.85%;在峰值效率点工况下,悬臂静叶总压损失和转子效率的非定常影响范围在10%以内,转叶进口相对气流角沿展向分布的影响在0.5°以内。悬臂静叶根部10%叶高以下区域出现了明显的泄漏流动,3.4%叶高压力系数变化最大,轮毂泄漏流起始于20%弦长附近,发展到70%弦长位置时泄漏损失最大,随后逐渐减弱.     

进口具有预旋流动的亚音速轴对称环形扩压器粘性流场计算

环形扩压器是一个重要的气动元件.装在透平级后的轴向式或轴径式环形扩压器,通过它的排气扩压过程,可以降低透平级背压,在同样透平进口参数条件下,提高透平作功能力,减少余速损失,使整个透平机效率得到提高.由于环形扩压器常在具有一定周向和径向速度分布的进口流动条件下工作,因此研究进口具有预旋流动的环形扩压器的流     

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。     

燃气轮机一级透平动静叶交互作用的气膜非定常特性及泛冷却效应:Part 1-静叶栅

采用三维非定常数值模拟计算某重型燃气轮机第一级透平的全气膜冷却特性,探讨级环境下静叶表面与静叶端壁及动叶表面与动叶平台的气膜非定常特性及泛冷却效应。燃气轮机泛冷却是指燃气轮机透平冷却气体出流在非设计位置所引起的附加效果。该部分工作包含两部分内容,其中第一部分关注级环境下静叶全气膜及燃烧室与静叶间的环缝密封出流在静叶端壁上的气膜覆盖,以及环缝密封出流在下游静叶栅中所形成的泛冷却效应。结果表明,在时均来流条件下,静叶表面及端壁气膜冷却效率分布非定常特征并不明显;燃烧室与静叶环缝密封出流在端壁上形成气膜覆盖,同时在静叶吸力面轴向Z/C>0.5和叶高S/H<10%区域形成泛冷却效应,且泛冷却效率随着环缝密封流量的增大而呈指数关系快速上升,设计工况下最大泛冷却效率达0.11。     

用于IGCC的燃气轮机技术方案与性能预测

主要符号表T温度G质量流量。压气机压比。压气机进口导叶安装角N功率X。压损系数X。。氮气回注系数X。;,空分整体化系数下标a空气cg煤气0烧天然气时设计工况。氮气as空分装置f燃料O。氧气1Bu8整体煤气化联合循环（IGCC）燃气轮机与常规的燃机有很大的差异［“l。它改烧中低热值的合成煤气,其燃料量比烧高热值的油气时要增大几倍;不同空分方案和采用不同的NZ回注掺混量时,情况就更为复杂。透平工质流量比压气机空气流量相差很多,燃气轮机总是处于复杂的变工况状态。2IGCC中燃气轮机技术方案归纳IGCC中燃气轮机可行的技术方案…     

局部进气涡轮优化设计研究

为了能够有效优化局部进气涡轮性能,通过对现有软件模块进行二次开发,并利用人工神经网络结合粒子群-遗传混合算法,建立了局部进气涡轮气动优化设计平台,分别在全周进气单流道和局部进气环境下对涡轮进行了分步优化。结果表明:在全周进气单流道条件下,通过对各排动静叶进出口几何角、安装角和第一级动叶积叠规律的优化,改善了涡轮内部流动状态,使涡轮总静效率在全周进气单流道条件下累计提升了3.24%;通过对全周进气单流道优化结果进行局部进气构型,并进一步在局部进气环境下对第一级动叶叶型进行优化,消除了第一级动叶排根部因局部进气气动参数周向分布不均匀而导致的流动分离,使优化后的局部进气涡轮总静效率较原型累计提升了3.72%。     

燃气轮机中间回热循环性能分析

本文质疑文献[1提出的中间回热循环技术,通过基本分析,揭示其特殊规律。且通过与常规回热比较,从透平初温、最佳循环压比、回热器参数等方面分析了关键参数对循环性能的影响。结果表明:与文献[1]不同,相对于简单循环和中间回热,常规回热具有更高的效率、更低的最佳压比。本文并指出文献[1]得出不合适分析结果之故。此外由计算结果得知,高、低压缸透平压比分配的优化可有效地提高中间回热循环性能。     

燃烧室温度剖面对静叶端壁冷却的影响

为了降低污染物排放,燃气轮机燃烧方式的改变所带来的透平进口温度剖面的改变,会对透平一级静叶冷却带来较大的影响。本文根据真实燃气轮机透平入口的温度条件,抽象出三种具有代表性的燃烧室出口温度剖面,分别研究其对端壁冷却的影响。结果表明,燃烧室出口温度剖面会对静叶端壁近压力面侧、吸力面的上下角区温度分布造成较大影响。     

导叶调节对双级对转压气机性能影响的研究

本文以某双级对转压气机为研究对象,基于并行计算技术,用数值模拟的方法计算研究了进口导叶安装角对对转压气机性能影响规律,从机理上分析了设计流量下导叶调节对各叶排来流气流角影响,为对转压气机的进一步优化设计提供依据。计算结果表明:在现有计算机条件下,并行计算技术的采用大大提高了计算效率;进口导叶安装角对对转压气机性能有一定影响,当进口导叶向负方向调整时,转子1工作正攻角下,出口导叶工作于负攻角,压气机的增压比升高,效率基本不变,稳定工作范围略有增大。     

畸变条件下非轴对称静叶对风扇流场影响的数值研究

为了研究非轴对称静叶应用于风扇/压气机中提高畸变条件下工作性能的可行性,本文对轴对称风扇和非轴对称风扇开展了非定常数值研究,获得了两型风扇在均匀进口和畸变进口条件下的特性曲线,并对两型风扇在畸变条件下的流场进行了对比和分析,结果表明:畸变条件下,非轴对称风扇在设计点处的效率和流量相对轴对称风扇有很大提升,而压比下降很小;非轴对称静叶可以抑制畸变区静叶角区分离,同时可以降低动叶非畸变区激波强度;在畸变流体影响的流道内,采用非轴对称静叶可使低能流体沿径向迁移并被主流吹出流道,从而使分离区减小。     

平面叶栅叶型的优化设计

本文根据二维不可压紊流附面层理论推导得到平面叶栅叶背优化速度分布的一般表达式,提出按给定的进出口气流条件估算叶背环量的方法,从而具体地确定了叶背的优化速度分布。最后作了一个具体算例,即根据叶背优化速度分布,用中心流线法求解无粘流反问题,得出大致满足各方面要求的压气机叶型,并用S_1流面正问题计算机程序对叶片表面速度分布进行了校验。计算表明:这种叶型的总压损失系数比之于为满足同样进出口气流条件而按常规方法选配的NACA-65系列叶型来说要小。     

变截面超-超引射器启动特性数值研究

为研究不同结构参数与来流参数下变截面超-超引射器的启动特性,用于指导超-超引射器设计与工况调试,采用二维雷诺平均Naiver-Stokes方程,数值研究了引射器混合室不同收缩比、一次流和二次流的不同总压比、总温比下超-超引射器的启动规律,并定义了“启动系数”来判别超-超引射流场是否建立。研究结果表明:随着收缩比（范围0.7～0.9）的增加,超-超引射器启动的临界总压比、总温比均先降低后升高,收缩比0.8时,存在最佳总压比5.88,最佳总温比0.21。结构参数一定,超-超引射器随总温比升高启动难度增加。当超-超引射器处于启动状态下,室压不随总温比、总压比变化而变化,引入的启动系数较引射系数可不依赖具体工况而直接判别超-超引射器是否启动。     

叶栅安装角对无阻流板式叶栅反推装置性能影响的研究

对某一无阻流门叶栅式反推装置的流场进行了数值研究,详细分析了不同叶栅安装角对反推性能的影响。结果表明叶栅安装角对流出反推窗口气流的质量流量、气流速度以及气流的流动方向产生影响,进而对反推效果产生影响。对于不同风扇进口压比,存在不同的最佳的叶栅安装角度,能使得反推效果最好。由于风扇压比不同,气流所具有的能量不同,风扇进口压比越低,其具有能量越小,进入反推窗口偏转角越大,最佳安装角越大。