非平衡凝结流线曲率法通流程序开发及应用

在湿蒸汽汽轮机设计中评估湿蒸汽偏离热力学平衡态的程度及其对透平级几何、气动参数设计的影响具有重要意义。本文发展了湿蒸汽非平衡凝结流动的流线曲率法通流设计程序,对某300 MW汽轮机低压缸六级透平内的流动进行了分析,并与平衡凝结流动流线曲率法程序的计算结果进行了对比。结果表明:与平衡凝结流动相比,非平衡凝结流动中叶栅后的压力、出口汽流角、湿度以及级的反动度和效率发生了明显变化,非平衡凝结流动的效率降低2 08%,功率降低1.05 MW。本文发展的非平衡凝结流动流线曲率法通流设计程序为我国大功率火电汽轮机低压缸和核电汽轮机的通流设计提供了工具。     

基于流线曲率法的轴流及离心压气机通流特性预测

本文基于准正交流线曲率法推导了适用于多级轴流压气机及离心压气机的压力梯度控制方程,并引入不同压气机经验模型,发展一种新型流线曲率法通流计算方法。基于预测方法,计算了亚/跨音速轴流压气机和带无叶/叶片扩压器离心压气机的通流特性,并与实验或三维CFD模拟结果进行了对比.结果表明,本文发展的流线曲率法通流预测结果同实验或CFD结果吻合度较高,这验证了该方法的合理性及所采用经验模型的准确性,因而其能快速、有效地评估多级轴流压气机及离心压气机通流特性.     

某五级轴流压气机性能分析

基于一套S2流面流线曲率法通流计算程序对某五级轴流压气机进行了性能分析。该程序在包含常用的叶珊特性计算模型的同时,为了反映压气机内部复杂流动的影响,引入了考虑到端壁剪切力修正的径向掺混模型和能够根据不同工况激波结构计算损失的复杂激波模型。通过与实验数据的对比结合CFD计算结果,表明该程序能够基本准确预测某五级轴流压气机的运行特性和气动布局参数,验证了该压气机性能基本达到设计要求。同时为该压气机进一步优化提供了参考。     

轴向超音来流风扇转子流场数值模拟

本文根据轴向超音来流风扇流动特点,给出其流场数值模拟的边界条件,并依据出口流动状况对计算域提出相应要求,对两种轴向超音来流风扇转于内流动进行了数值模拟。     

基于两级通流模式的贯流风扇气动噪声模型

贯流风扇独特的流动形态导致主流并非发生于部分流道,根据其内流特点,本文提出了两级通流模式。在离心风扇及轴流风扇气动噪声模型基础之上,同时考虑风扇的具体几何尺寸,运行情况,及蜗壳的存在对噪声传播的影响,提出了贯流风扇叶轮气动噪声的预估模型。试验结果验证了该模型的可靠性,在低转速1100r/min以下时可以较好地预测贯流风扇的气动噪声总声压级,在较高转速时,存在一定的误差。     

轴向超音通流转叶风扇级的方案设计分析

面向大幅提高航空推进系统推重比等性能,提出采用轴向超音通流转叶风扇级以兼顾传统进气道减速增压功能,并进行了设计参数分析研究。研究表明,转叶进出口面积比是影响轴向超音通流转叶风扇级方案性能的重要参数;超音飞行条件下,综合对应的进气道因素,轴向超音通流转叶风扇级方案相比传统风扇可具有负荷、效率、重量优势。     

基于流网分析的通流计算冷却模型

伴随着复合冷却技术的广泛应用,冷却透平中主流流动和传热过程的复杂耦合现象日趋显著,有必要在初步气动设计阶段充分考虑冷却对主流气动布局的影响。本文基于流网分析提出了适用于气热耦合通流方法的冷却模型,该模型可针对透平叶片进行快速流热分析,并结合主流气动参数计算结果预测掺混冷气流量分布及掺混损失分布。本文采用该冷却模型对C3X叶型进行了气热耦合通流分析,叶片表面温度分布计算值与实验结果符合良好,说明该冷却模型可应用于气热耦合通流方法,为透平初步气动设计及冷却设计提供一定的借鉴意义。     

任意非正交曲线坐标系在叶轮机械气动计算中的应用

本文应用向量分析的方法,推导出非正交曲线坐标系的梯度、散度和旋度的计算公式,从而得到了无粘性流体在叶轮机械中稳定相对运动的三维流动的气动热力学基本方程。然后,讨论了用任意非正交曲线坐标表示的势函数方程,以及两类相对流面(S_1和S_2流面)的流函数方程(吴仲华方程)。最后也给出了速度梯度法(或称流线曲率法)方程的三种形式。     

高负荷轴流压气机的通流计算与分析

高负荷轴流压气机内部流动复杂,气动性能预测难度大。本文介绍了作者开发的一套适用于高负荷轴流压气机性能预测的通流计算程序。程序采用流线曲率法,基于对压气机内部流动规律的深刻认识,结合实际工程经验,建立了对于损失、落后角等的预测模型,以及失速和掺混模型。通过对NASA的跨音转子Rotor 1B、PW三级机组3S1、GE公司E~3机组等多台有代表性机组进行计算,并将计算结果与试验数据进行对比,验证了本通流程序的可靠性。结果表明,本程序是高负荷轴流压气机性能分析预测的有效工具,具有一定工程应用价值。     

使用非正交曲线座标与速度分量S_2流面反问题流场线松弛解

针对叶轮机械S_2流面反问题的计算,介绍了使用任意非正交曲线座标和非正交速度分量的S_2流面反问题流场线松弛解法计算机程序.并对该程序与目前一般常用的速度推广法(流线曲率法)程序和矩阵直接解法程序的不同之处,作了简要的比较和评论.指出流场线松弛法的优点,特别是在采用叶片三维设计计算方法时,当叶片区沿流线方向必须设立更多的计算站时,流场线松弛方法是一个值得推荐的好方法.     

一类高压比新概念风扇转子激波结构探索

为适应未来超声速巡航飞机动力系统的要求,作为一种可能的解决方案,本文对于一类来流为轴向超声速、出口为相对亚声速的高压比新概念风扇开展了研究,主要采用三维定常粘性数值方法对转子通道内部激波结构进行了初步探讨,根据流场分布构造了转子三维激波结构,为此类风扇气动设计提供了一定的依据。     

叶轮机械数值计算与设计方法进展及其在汽轮机中的应用──第一部分:数值计算及设计方法进展

本文对多级汽轮机通流部分气动热力学数值计算方法与设计体系研究所取得的进展进行了回顾，主要内容包括通流部分气动热力准三维、全三维计算方法进展、程序的校准方法、多级轴流透平气动热力设计体系研制等，并提出了今后进一步开发的设想．     

基于伴随方法的多级叶轮机三维叶片优化设计

伴随方法单次优化循环计算量与设计变量数目基本无关,多设计变量时计算成本低。本文采用伴随方法发展了多级叶轮机三维黏性气动形状优化方法,包括伴随方程及其边界条件、目标函数与设计变量的敏感性关系。结合基于Hicks-Henne函数的三维叶片参数化方法和最速下降法建立了气动形状优化设计系统。针对1.5级压气机第二排叶片的反设计验证了该优化系统的有效性;以进、出口熵增为目标函数改型设计某1.5级超音压气机,改型后气动性能明显提升。     

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.     

高温透平气热耦合通流设计与分析

透平冷却技术的广泛应用带来了冷却透平中主流流动和传热过程的复杂耦合问题。传统透平设计过程中,通常将气动设计与冷却设计分开进行,因而难以充分考虑二者之间的相互影响。本文在某高温轴流透平的初步设计中采用了一种气热耦合的通流设计方法,该方法在传统通流计算的基础上引入了冷却计算模型,并以通流计算得到的主流流场参数作为传热计算的边界条件,由此求得透平所需冷气量及主流流场参数。本文采用ANSYS CFX对设计透平进行了性能分析,结果表明该气热耦合通流设计方法可以在透平初步设计阶段提供较大的借鉴意义。     

高速、高负荷跨音速单级风扇设计与试验

本文介绍－高性能单级跨音速风扇的设计与试验结果。该风扇设计压比２．３,设计效率０．８８,具有高切线速度５１０ ｍ／ｓ（相对马赫数达 １．７２）和低展弦比。 在气动设计过程中,为了改善级效率,使用了前缘掠型和任意空间积迭曲线新技术。为了提高气动设计的可靠性,对风扇进行了三维有粘流动计算分析和气动的优化。 试验结果表明：这台风扇性能达到了它的设计目标。设计点压比（２．３）效率为８９．５％,峰值效率达９０．８％,最高压比达２．４９１,喘振裕度超过１１．５％。 这台风扇显示了当今国际上先进风扇水平。高水平性能的取得归功于在高速和高负荷风扇气动设计中准三维和三维粘性设计系统的应用。     

风扇通流设计中环量分布形式的探讨

本文以时间推进通流设计方法为工具,设计了两个压比3.0级别的风扇转子,探讨了环量轴向分布形式对设计的影响.两个设计采用不同的环量分布,一为环量沿轴向线性变化,另一为环量沿轴向按余弦曲线变化,三维粘性计算结果表明,在峰值效率点,后者压比、效率和流量都高于前者.后者叶尖形成预压缩效果更为显著的叶型,对激波有更好的控制,激波后分离区小,更适合用于高负荷风扇的设计.     

多级轴流压气机通流造型一体化设计研究

多级轴流压气机气动设计的核心是S2通流设计和叶片造型设计。为了提高设计效率、降低时间成本,研究开发了多级轴流压气机通流、造型一体化设计方法。通过将S2通流设计反问题与叶片造型耦合联结,一体化设计获取压气机气动流场参数和流道、叶片几何,并直接与全三维数值模拟相衔接,可快速得到基本满足目标需求的初始设计。通过一体化反演设计具有设计数据与试验结果的美国E~3十级高压压气机前六级,其设计点的流量、绝热效率误差范围均在2.5%内,具有较好的工程精度,验证了研发的多级轴流压气机通流造型一体化设计的有效性与实用性。     

在曲线坐标系中流线曲率法与有限差分法的比较

大功率透平机械叶栅流道的边界是相当复杂的.当采用圆柱坐标系时,对矩阵法和流线曲率法,需要单独处理流道边界上“破碎”的网格,这无疑增加了计算时间;如不处理则会降低计算精度.采用有限元素法虽然可以避免单独处理边界上的计算网格,但计算时间长和需要存贮单元多则是它的最大缺点.我们采用的在曲线坐标系中的流线曲率法和矩阵法既不必单独处理边界上的计算网格,也不要很多的存贮单元和过长的计算时间. 目前已发表的文章几乎都未涉及到将计算站设立在叶片流道内时,流线曲率法和矩     

前置部分叶高增压转子风扇气动性能研究

在航空发动机更高推重比的需求牵引下,风扇需进一步提高其通流能力和内涵增压能力。本文以某宽弦复合掠跨音风扇为研究对象,对前置部分叶高增压转子风扇开展了深入细致的性能和流动机理研究。结果表明:高通流风扇中串列转子叶片的周向相对布局对风扇性能有决定性影响,在λ_s=20%周向布局下,风扇最大通流能力在外径、效率以及裕度基本不变的前提下增大5.83%,同时峰值效率点下总压比提升8.38%,压比提升主要来源于内涵压比的提升。研究证实前置部分叶高增压转子风扇有效提升了风扇级的性能水平,展现出巨大应用前景。