适用于跨音压气机的超音叶型设计

为降低跨音压气机叶尖损失,开展超音叶栅流动机理及叶型设计研究。首先考虑栅前激波损失,并引入极限特征线上的等熵马赫数和总压恢复系数,得到更准确的唯一进气角计算方法;然后将此计算方法用于超音叶型设计,给出叶型前段形状;最后结合经验和理论分析,完成叶型后段设计。研究结果表明:此设计实现三道斜激波加一道正激波组合增压;在设计点,静压比为2.27,总压比为1.99,总压损失系数为0.091(对应效率0.902);在近失速点时,正激波移至喉道处,叶栅总压损失系数最小;正激波移至叶栅出口时,正激波最强,总压损失系数最大。     

基于本征正交分解的串列叶栅多目标气动优化研究

为提高压气机串列叶栅复杂气动构型优化设计的效率,本文基于本征正交分解(POD)理论,建立了集几何外形参数化、样本空间降维、气动性能求解、降维模型构建和遗传算法寻优于一体的串列叶栅高效优化设计系统,针对叶型型面和叶片相对位置关系参数,开展了多目标优化设计工作。在7°攻角工况下,优化后的串列叶栅的静压升提高了0.53%,总压损失系数下降了9.25%,其他攻角条件下叶栅性能同样也得到了改善。与传统CFD方法相比,极大提高了优化效率,与基于Kriging代理模型相比,本文发展的优化系统由于缩小了设计变量空间,提高了优化的迭代效率,收敛耗时仅为Kriging代理模型的0.0796%。此外,基于POD方法的优化设计系统具有更高的建模精度,使串列叶栅获得了更高的静压升和更低的总压损失系数。优化后的串列叶栅节距系数增大、弯角比减小,减小了掺混损失,抑制了流动分离,改善了全攻角范围内的气动性能。     

超临界高压动叶栅壁面静压分布的试验研究

在低速风洞上对某型超临界汽轮机高压级动叶栅进行了静态试验.详细测量总压损失由栅前至栅后的发生与发展以及静压系数在不同叶高沿叶型的分布.试验结果表明,具有后部加载叶型的正弯动叶片栅气动特性优良,叶型损失与二次流损失较小,出口气动参数沿叶高分布均匀,并且具有良好的冲角适应性.     

带冠喷气涡轮叶栅气动性能研究

多种控制技术耦合应用是涡轮叶栅间隙泄漏流动研究的趋势之一。结合围带与喷气两种控制方法,本文通过实验与数值模拟研究了喷气对带冠涡轮叶栅气动性能的影响机理,探讨了测量截面上的损失分布以及叶栅通道内涡系的演变规律。研究发现,与带冠无喷气叶栅相比,喷气改变了泄漏流体的流动方向,使泄漏涡尺寸有所增加。但喷气改善了叶顶附近总压分布,因而0.3%主流流量喷气使叶栅气动性有所提高。喷气可以降低间隙入口流量,且由于喷气量小于减小的间隙入口主流流量,因而带冠叶栅中,喷气使间隙出口流流量减小。     

基于Pareto类遗传算法的平面叶栅多工况优化

将叶型参数化、试验设计方法、神经网络算法与Pareto类遗传算法相结合,发展了一种平面叶栅多目标优化设计方法.在该算法中,为提高优化效率,提出了并行神经网络算法和改进了NSGA-Ⅱ算法.以极小化三个工况点的总压损失系数为目标函数,将该优化方法应用于某平面叶栅多工况优化设计.与初始叶栅相比,优化后叶栅的总压损失系数在三个工况均有一定的减小,说明该优化方法是有效的.     

变马赫数涡轮平面叶栅流场的实验研究

本文研究分析了三套涡轮平面叶栅设计攻角下变出口等熵马赫数时的气动性能,给出了三套涡轮叶栅设计攻角下的临界马赫数;阐述了叶栅出口总压恢复系数、能量损失系数、负荷系数及进口马赫数随出口等熵马赫数的变化规律;分析了叶片表面和叶栅端壁静压系数及等熵马赫数的分布情况。结果表明,三套叶栅所采用的叶型具有后部加载特性,具有较好的气动性能;叶栅出口能量损失系数随出口等熵马赫数的变化呈现出先减小后增大的变化规律。     

吸力面负曲率的渐缩流道跨音速涡轮叶栅流场与性能研究

为了降低高负荷跨音速涡轮叶片流动损失,本文提出了一种在吸力面无遮盖段存在内凹型线的渐缩流道跨音速涡轮新叶型。新叶型可通过改进常规跨音速涡轮的叶型得到。数值模拟结果表明采用新叶型的平面叶栅与原叶型的相比总压损失系数降低了29.7%。通过分析新叶型的几何特征及其激波、膨胀波与压缩波的特点,揭示了新叶型使损失降低的内部流动机理。新叶型不仅能够减少气动损失,而且能够降低叶片排气的周向不均性,减小对下游叶片排边界层的非定常影响。     

基于合成射流控制技术的高负荷压气机叶栅流动特性研究

数值研究了合成射流控制高负荷压气机叶栅非定常流动分离的效果及机理。结果表明,激励频率、幅值是影响合成射流控制效果的重要参数,当激励频率为最优值、幅值大于某一阈值时,叶栅时均总压损失系数最大降低40.3%,静压升系数提高12.1%。合成射流的动量注入显著增大了激励缝下游流场的湍流剪切应力,使得剪切层内的速度脉动增强,在宏观上表现为近壁区域与主流流体间的动量交换得到加强,这是非定常流动分离得到抑制的主要原因。     

蒸汽轮机抽汽口几何参数和工况对流场的影响

用数值模拟的方法对大功率蒸汽轮机抽汽口及抽汽道内的三维粘性流场进行了分析,研究了蒸汽轮机抽汽口几何参数(抽汽缝宽度、集汽室形状、抽汽缝位置)和工况参数(抽汽量)对抽汽口流场、周向压力不均匀度、流动阻力的影响．并将计算结果与实验结果进行了比较。研究结果表明:增加抽汽量必然引起静压周向不均匀度系数和抽汽口总压损失系数的增加。抽汽缝宽度减小会引起抽汽口的流动阻力大幅度增加,从而减小相对抽气量和增大抽汽端差。集气室形状和抽汽缝位置的变化对相对抽气量、静压周向不均匀系数以及总压损失系数的影响不明显。     

机匣仿生顶室对压气机间隙流动影响研究

动叶叶顶产生的间隙泄漏流对压气机的效率和稳定性产生明显影响。为了减小泄漏流对流道内部流场结构的影响,本文基于蜻蜓翅翼的翅室和褶皱结构,在跨声速压气机叶栅的机匣上布置仿生顶室结构。采用数值模拟方法,研究不同高度的仿生顶室结构对间隙泄漏量和流动损失的影响。结果表明:流体流经仿生顶室时,顶室内部存在明显的驻留涡,抑制泄漏涡沿节距方向的发展,减小间隙的泄漏流量和流动损失;在间隙高度为2 mm情况下,仿生顶室对泄漏量和流动损失的控制效果最为明显,最佳方案能够使总压损失系数下降1.2%,间隙泄漏量降低1%。     

基于流动损失权重分配的扩压叶栅弯叶片优化探究

本文采用经过实验校核过的数值模拟方法研究了CDA叶型的矩形扩压叶栅旋涡结构与流动损失之间的权重关系,并以此为指导进行叶片周向弯曲优化设计,改善叶栅气动性能.结果表明:原始叶栅中集中脱落涡所影响区域的总压损失权重占总损失的60%,并通过对该旋涡结构所对应的分离区域的拓扑分析确定了叶片周向弯曲的弯高、积叠线控制点和弯角数值.叶片周向弯曲的作用将该分离区从角区闭式分离转变为开式分离,同时降低叶片根部负荷,改变横向和径向压力梯度分布.优化叶栅降低了集中脱落涡所占的总压损失权重41.3%,最终降低了出口截面质量流量平均的总压损失系数2.55%。基于旋涡结构的流动损失分配权重分析方法有效地提升了叶栅气动性能,大大地缩短了叶栅流场优化设计周期,据有可观的工程应用前景。     

端壁横向射流对高速扩压叶栅性能的影响

通过数值模拟研究了不同射流缝长度以及射流总压比对端壁横向射流抑制横向二次流动和减小损失作用效果的影响,结果表明:采用与流向具有一定夹角的横向射流可有效抑制端区二次流动,减少角区低能流体堆积,推迟吸力面流动分离,提高出口气流角均匀性。仅采用不足叶栅进口流量0.3%的射流气体,就能使总压损失系数降低11.3%。增加射流缝长度的或者提高射流总压均可增强其减弱分离流动的效果,但射流与横向二次流相互作用导致的冲击和掺混损失也增大。     

对转冲压压气机冲压叶栅实验研究

本论文利用激波管风洞对内压式冲压叶栅进行了吹风实验.试验叶片的压力分布由在试验件表面的高频压力传感器测得,通道激波则由压敏纸显示.在试验当中,当来流马赫数为2.0左右时,内压式冲压叶栅的静压升达到了4.7左右,其总压恢复系数也达到了0.8左右的预期值.试验结果验证了内压式冲压叶栅工作原理,同时也证明了内压式冲压叶栅的二维叶型设计方法的有效性,为对转冲压压气机的进一步深入研究奠定了一定的基础.     

船舶燃气轮机双通道进气系统流场特性研究

采用流量自动分配处理方法,对一种船舶燃气轮机双通道进气系统流场进行详细的数值研究,探索双通道进气的流量分配规律,进行全流场特性分析和1.0级海况静止风工况下系统性能的评估。研究结果表明:双通道进气系统设计能够保证上、下层进气室流量分配合理,获得进气室中均匀流动气流,改善工程上易出现的燃烧气通路抢气的问题;系统总压损失中流动损失约占47.2%,全部装置产生的总压损失约占52.8%,其中燃烧空气滤清器的总压损失占全部装置总压损失和的45.9%,为产生总压损失的主要装置;在船舶空间条件允许情况下,为减小流动损失可进一步优化消声器穿孔板和竖井管道形状;当蜗壳段设计长度大于特征长度的0.6倍时,流速及总压均达到均匀性指标要求,认为出口气流流动均匀。     

端壁凹槽控制扩压叶栅角区分离的数值研究

为揭示端壁凹槽控制高速扩压叶栅角区分离、降低叶栅气动损失的物理机制,采用数值方法研究了高速扩压叶栅NACA65-K48附加具有不同轴向位置和横向长度的端壁凹槽时叶栅的流场结构和气动特性.结果 表明:叶栅出口总压损失系数最大降低8.08％,静压升约提高0.67％.近端壁气流在凹槽内部诱导出复杂旋涡结构,该旋涡结构反过来为...     

孔隙射流位置对直扩压叶栅壁面静压及流谱影响

对带有孔隙射流的某大折转角直扩压叶栅性能进行了实验研究,分析了不同位置孔隙射流对壁面静压及极限流线的影响.结果表明,孔隙射流能够改善角区流动,同时降低叶片中部损失;最佳开孔位置位于25%相对叶高处,总压损失系数相对无孔隙射流叶栅降低4.9%;孔隙位置对端壁静压的影响不大.     

多级吸附式压气机末级静子叶型构型方法研究

针对某多级低反力度吸附式压气机末级静子较薄,存在叶片抽吸结构设计困难的问题,设计了三种叶型构型——传统双圆弧叶型、优化叶型以及串列静子作为末级静子主流区叶型备选方案。借助数值模拟的方法,详细对比分析了三种构型方案的变工况性能及其内部流场结构特点。结果表明,当叶型扩压因子超出常规设计范畴时,传统双圆弧叶型设计点处于损失急剧增加的位置;优化叶型通过合理调整叶型内部压力场分布,显著降低了设计点附近及正冲角下的总压损失,但大负冲角下,压力面分离损失加剧;基于原型双圆弧叶型参数设计的串列静子具有更佳的气动性能,在全工况范围内,损失均低于单列叶片。     

透平叶栅非轴对称端壁的设计与优化

采用NURBS曲面造型方法,在轴对称端壁上叠加径向高度变化量构造非轴对称端壁。采用最优拉丁超立方设计的方法,经过两轮实验设计,寻求性能较优的设计方案。结果分析表明:基于最优拉丁超立方的实验设计方法,定向搜寻透平叶栅的非轴对称端壁优化设计方案,是可行的。与圆柱端壁相比,优化后涡轮叶栅通道出口面积平均二次流动能减小5.48%,总压损失系数减小了1.63%,端壁换热状况局部有改善。非轴对称端壁通过改变端壁的静压分布削弱了涡轮叶栅通道中马蹄涡、通道涡的强度。非轴对称端壁使通道内靠近进口段和出口段端壁换热被削弱,尾迹区换热有所增强。     

非光滑叶片对轴流风扇气动性能的影响

在低速轴流风扇实验台上,通过对比测量光滑转子叶片、两种表面具有流向沟槽的非光滑转子叶片风扇的气动性能,研究了叶片沟槽面对风扇气动性能的影响.结果表明:(1)在设计状态和小流量状态,采用微槽型非光滑叶片能提高该风扇的流量、降低总压损失和提高风扇总压升;(2)在近失速状态,非光滑叶片使风扇性能下降;(3)非光滑叶片对风扇性能的影响在很大程度上取决于非光滑叶片的沟槽尺寸.     

一种标准对涡旋流畸变发生器的优化设计

为研究对涡旋流对压气机性能和稳定性的影响,基于一种叶片式旋流畸变发生器进行优化设计,利用数值模拟方法研究了不同几何参数对畸变发生器模拟精度的影响。结果表明:采用叶片稠度为1.45的CDA叶型时,后掠布局的畸变发生器所产生流场的复现有效性最高,总压损失最小。优化后的畸变发生器相较于已有畸变发生器,总压恢复系数提升了 2.2%,在设置的三个测环上,旋流角误差分别减小了 18.2%,48.45%,0.3%。