轴流压气机后掠叶栅性能的研究

1、压气机后掠叶栅性能的计算 临界马赫数 M_(kP):根据飞机后掠机翼理论,对于后掠叶栅的临界马赫数,可以由下式 求得: 即:式中V_直和V_后分别表示相同叶型的直列叶栅(后掠角λ=O)和后掠叶栅(后掠角为λ)中的气流速度。这样,后掠叶栅与直列叶栅比较,所提高的临界马赫数,应为。     

三维跨音速叶栅自动气动优化设计

应用三维叶栅自动设计参数化方法,选择E3约束的条件下进行了自动气动优化设计.优化后,最优叶栅的总压恢复系数比参考叶栅提高了0.8%,流量和出口气流角都在约束范围内.对优化结果的详细气动分析表明,叶栅性能有显著的改善,表明该算法具有良好的优化性能.     

吸附式叶栅代替串联叶栅气动可行性探索

本文首先以ONERA串列叶栅为研究对象,利用数值模拟的方法对串列叶栅特性及其内部流动进行了分析,在此基础上,设计了与串列叶栅具有同等性能的单列吸附式叶栅,并在设计工况和非设计工况下对改型后的单列吸附式叶栅特性及其内部流场进行了详细分析.结果表明:在相同来流马赫数、出口条件和扩散因子的情况下,单列吸附式叶栅的性能优于串列叶栅,在高负荷压气机设计中用吸附式单列叶栅代替串列叶栅的做法是可行的.     

基于离散伴随方法的透平叶栅反设计

研究构建了基于离散伴随方法的叶轮机械叶栅气动反设计系统,将离散伴随系统从无黏环境扩展到了黏性环境,编程实现了黏性离散伴随求解器;改善了叶栅参数化方式并重新编程实现了叶栅参数化程序,解决了叶栅参数化过程中叶栅尾缘附近区域型线波动的问题。利用该系统对某二维跨声速透平叶栅在给定叶型壁面目标压力分布的情况下,通过构造目标函数将叶栅反设计问题转化为气动优化设计问题,成功进行了气动压力反设计。结果证明本文建立的叶栅反设计系统能够有效进行压力反设计,验证了本文建立的基于离散伴随方法叶轮机械叶栅气动反设计方法的正确性与有效性。     

非设计工况下动静叶相互干扰的非定常流动特性

本文对非设计工况下动静叶栅相互干扰的非定常流动特性进行数值研究。非设计工况主要考虑大攻角下的分离 流动,动静叶干扰的非定常流动的数值求解在N—S方程的基础上采用分区计算的方法来完成。数值分析结果揭示了在分 离流动本身的非定常特性与动静叶栅相互干扰的非定常特性的双重影响下的流场情况。     

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。     

高亚音速二元叶栅损失的理论分析和实验研究

本文主要目的,是采用可压流紊流附面层理论,利用附面层理论中的一些附面层特性参数,如动量厚度、形状因子和能量因子以及其他组合参数等;采用栅后尾迹中附面层简单幂方气体速度分布;并在过去叶栅损失理论研究的基础上,推导出亚音速、跨音速二元叶栅总压损失简化了的计算方程。用它可以计算亚音速、跨音速压气机叶栅在设计工作情况和非设计工作情况下的二元叶栅总压损失。文中还提出了压气机叶栅在高亚音速、跨音速工作条件下,修正气体压缩性影响的新的图线方法。 按照所推导出来的叶栅损失计算公式,对给定叶型叶栅在不同工作情况下,进行了叶栅损失计算。另外,对给定叶型叶栅进行了吹风实验,测量出不同情况下的叶栅损失,两种数据进行了比较,得到较好的一致。     

基于离散伴随方法的透平叶栅气动优化设计

本文研究并给出了基于离散伴随理论和自动微分技术构建离散伴随系统的方法、伴随系统的求解策略以及基于离散伴随方法的透平叶栅气动优化设计流程,建立了相应的优化设计系统。利用该优化系统在无黏环境下,以叶栅通道进出口的熵增率为目标函数、以叶栅通道内的质量流量为约束,对某二维跨音速透平叶栅进行了气动优化设计。与优化前相比,优化后透平叶栅进出口熵增率减少8.82%,质量流量变化幅度小于0.003%。优化结果表明,本文提出的优化系统能够有效改善透平叶栅的气动优化性能,验证了本文提出的基于离散伴随方法的透平叶栅气动优化设计方法的正确性与有效性。     

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。     

非轴对称端壁与叶片联合成型气动优化实验验证

利用所研发的叶片多学科设计优化平台,完成了某小展弦比透平叶栅非轴对称端壁与叶片联合成型优化设计。利用亚音速风洞,对优化及参考叶栅进行吹风实验,结果表明数值计算与实验吻合较好。数值和实验结果均表明,最优设计相对参考设计气动性能明显提高,从而验证了所研发的非轴对称端壁与叶片联合成型设计优化方法的正确性和有效性。     

超音速涡轮叶栅气动性能实验及分析

利用中国科学院工程热物理研究所和哈尔滨汽轮机厂合建的暂冲式超音速平面叶栅风洞,在详细校核进口流动均匀性、出口流动周期性及叶栅中部流动二元性的基础上,详细测试了三套超音速涡轮叶栅在设计和非设计等三个攻角状态下的气动性能及叶片表面压力分布,为超音速涡轮叶栅的后续研究积累了翔实的实验资料。     

轴流压气机跨音速双圆弧(DCA)叶型的研究——叶型设计计算

一、前言 跨音速气流在压气机叶栅中的流动,是高度三元性的和非常复杂的,现在虽然具有高速大容量电子计算机的应用条件,但对于解决实际的、三元的、可压缩流的叶栅中流动问题,仍然是困难的。现代轴流压气机高速叶型的设计,例如跨音速双圆弧(DCA)叶型的设计计算,完全可以按照行之有效的半经验方法,即理论与实际相结合的方法,找出这种跨音速叶型在给定工作条件下的各种主要性能参数和几何参数之间的关联,然后引入该叶型叶栅所积累的各种有效数据,从而求得这种叶型叶栅主要性能参数和几何参数之间的最佳组合,便有可能设计出叶栅中较小的总压损失和较高的叶栅效率。     

基于定涡黏性假设的连续伴随优化方法研究

基于网格节点位置坐标变分并结合通量雅克比矩阵技术,完成了定涡黏性假设下带湍流模型连续伴随系统的建立,极大降低了RANS方程下复杂伴随系统的推导难度,简化了伴随系统表达式,节约了计算资源。同时采用定涡黏性假设耦合SpaIart-Allmaras湍流模型,实现了二维叶栅壁面压力反设计的数值验证,针对变量梯度、优化过程及结果与全湍流系统进行了分析对比;并以通道内熵增为优化目标完成了某亚音速叶栅基于该假设的气动优化及叶栅吹风试验,试验结果验证了优化设计结果的可靠性。     

叶身/端壁融合扩压叶栅气动性能实验与数值研究

已有的数值研究表明叶身/端壁融合设计能有效推迟、减弱或消除压气机角区分离,但实验数据缺乏。为了弥补这一不足,本文针对一42°折转角的NACA65扩压叶栅进行了吸力面叶身/端壁融合设计,并首次在低速平面叶栅风洞中进行了对比实验,证实了叶身/端壁融合扩压叶栅性能提升能力。基于实验结果,进一步校验了RNG-KE、SST等不同湍流模型的模拟精度,并基于SST模型结果揭示了叶身/端壁融合设计的作用机理。实验结果表明:叶身/端壁融合扩压叶栅能在设计攻角及正攻角下改进叶栅性能,提高总压损失系数7%~8%。数值结果表明:融合的加入重新组织了端区流场,避免了流体在叶栅后部吸力面角区内的过度堆积而发生的强三维分离,有效缓解了原型叶栅高损失流动。     

一种燃气涡轮叶片气热性能实验台

随着行业对燃气轮机和航空发动机的性能需求日益增加，研发高效率、长寿命、低排放和大推重比的先进燃气轮机和航空发动机十分紧迫。由于燃气涡轮叶栅内部流动非常复杂，呈现出高度三维流动特征，因此数值仿真和理论分析难以得到准确、可靠的研究结果，必须要有实验研究，为其提供实验数据加以验证。本文介绍了一种新型燃气涡轮叶片气热性能实验台，该实验台具备实现主流温度阶跃上升能力，采用瞬态红外测量技术(IR)可完成不同入射角度、不同节距叶栅、不同类型叶栅(静叶和动叶)的叶栅流动、传热和冷却性能研究。该实验台采用模块化设计，可以实现实验叶栅方便、快速更换，并且开设有实验观察平台，可提供可视化观测和红外温度测量，运用瞬态红外测量技术(IR)和双线性回归(DLRT)数据处理方法研究叶栅传热和冷却特性；同时，在该实验台进行了吹风实验，实验结果表明该实验台达到了设计要求，可以进行旁通气路和实验气路瞬态切换。     

低温氦气透平膨胀机导向叶栅的数值模拟

低温氦气透平膨胀机是大型低温氦制冷系统的关键部件,其导向叶栅对整个透平膨胀机的效率有着重要影响。采用计算流体动力学(CFD)软件CFX,运用标准k-!湍流模型,以低温氦气为工质,对所设计的透平膨胀机导向叶栅进行了全流道数值模拟。导向叶栅采用TC系列叶型。对不同叶型,不同叶片数下导向叶栅进行数值模拟。经过计算,得到了TC-2P、TC-3P、TC-4P三种叶型在设计工况下的结果,发现采用TC-2P叶型时,导向叶栅具有较好的性能,同时得到了导向叶栅性能随着叶片数的变化规律。     

向心压气机进出气道设计及整机模拟

向心压气机的通流部件主要包括:进气道、动叶栅、静叶栅、出气道,本文对除静叶栅、动叶栅之外的静止通流部件的子午面进行设计,进气道、出气道子午面设计采用等截面法,能保证进出气均匀、轴向对称;并对所设计的向心压气机进行了整机模拟及变工况分析。结果表明,所设计的向心式压气机气动性能符合要求,向心式压气机是可行的。     

平面叶栅边界层的转捩试验及数值模拟

基于温敏漆(TSP)技术,以跨音速平面叶栅为研究对象,开展平面叶栅边界层转捩位置的试验以及数值模拟研究。试验结果表明：利用TSP测量技术可以得到平面叶栅表面的温度分布,进而判断边界层转捩位置。通过CFD(Computational Fluid Dynamics)数值方法完成验证工作。     

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。     

大功率汽轮机静叶栅损失发展的实验研究

对亚临界60万千万汽轮机高压第九级静叶原型和改型两套环形叶栅在零冲角下在低速风洞下进行了吹风实验研究.实验结果表明,与原型叶栅相比较,改型叶栅明显降低了流动损失.在设计工况下改型叶栅流道内的流动状况更为稳定,显著降低了二次流损失、端壁损失、吸力侧流动损失、尾迹损失.