具有弯扭掠叶片流场结构分析能力的燃气涡轮三维设计体系——弯扭掠叶片设计体系与设计思想研究之一

通过将结构分析与优化引申到气动设计中,建立了具有弯、扭、掠叶片流场结构分析能力的燃气涡轮气动设计体系,并将这一体系进一步划分为四个子体系。介绍了各子体系的构成与功能,并在流场结构分析与优化子体系中给出了流场结构三个层次的分析框架。     

叶轮机械叶片弯掠气动技术研究进展

叶片弯掠技术在叶轮机械设计中的应用,使叶片通道流场的稳定性得到了明显改善,叶轮机械的工作效率得到了显著提升,越来越引起研究者的重视。结合近年来在叶片弯掠气动技术领域开展的研究,详细综述了国内外叶片弯掠技术在叶轮机械设计中的研究进展。首先,回顾了叶片弯掠气动技术的发展历程,将叶轮机械叶片的设计分为3个阶段,分别是直叶片、扭叶片和以弯扭掠为主要特征的空间叶片,并指出以弯扭掠为主要特征的第3代叶片虽然已经得到应用,但仍有很多问题还没有完全解决。然后,分析现有研究中对叶片弯掠的定义,指出其本质均是在直叶片的基础上,通过移动叶型积叠点的位置使叶片产生弯曲或扫掠的效果,进而拓展叶片的设计空间。其次,综述了叶片弯掠对流场的影响,并归纳总结其作用机理是通过改变叶片对气流的作用力在径向的分量,实现叶片载荷和流量沿叶展的再分配,进而控制低能流体微团的输运,减小二次流损失。最后,对叶片弯掠气动技术在今后的发展方向进行了展望。该研究为叶轮机械叶片弯掠气动技术的进一步研究提供参考。     

叶片弯掠组合设计对风扇气动噪声的被动控制

转子尾迹与静子叶片干涉是产生风扇离散噪声的主要噪声源之一。环形叶栅几何对于声源项的求解以及管道内的声传播都有重要影响,因此在讨论叶片弯掠组合设计对于风扇噪声的被动控制作用时需要重点强调三维效应的影响。本文利用三维升力面理论,建立了可以考虑叶片弯掠组合影响的气动声学模型。相比数值计算方法,三维升力面理论不存在频散耗散影响,求解快速高效,更加有利于初始阶段的优化设计,以及为数值计算模型提供验证。通过与已有结果的对比,进一步阐述了叶片后掠和周向倾斜对于风扇离散噪声的影响机制。而弯掠组合设计算例的计算结果表明,在某些条件下,选取合适的叶片弯掠造型能够获得很好的降噪效果。由于轴向传播波数的影响,前传声场和后传声场对于弯掠组合的变化趋势存在一定的差异性。     

压缩系统跨音进口级弯掠叶片空气动力学概述

转子叶片与静子叶片形状与80年代前的通用形状已有所变化, 三维弯、掠组合设计已成为重要的发展趋势。与之对应的当代气动设计理论被称之为跨音风扇弯掠叶片空气动力学。在简要回顾后掠风扇和后掠桨扇的发展背景前提下, 对此分支的内涵进行了分析与讨论。初步提出进行跨音风扇弯掠叶片气动设计所应追加的工程准则。      

涡轮弯扭叶片气动设计工程方法研究

采用弯扭叶片设计是提高燃气涡轮效率的主要手段之一,而构建弯扭叶片积叠线的参数化模式是设计涡轮弯扭叶片的重要基础。为了满足各种涡轮叶片弯扭设计的工程需要,提出了采用圆弧型、抛物线型、分段样条曲线积叠线规律的涡轮弯扭叶片设计方法,编制了积叠线生成代码,并推荐了各方法的应用条件和方式;提出的回归正交设计方法可以对分段样条曲线积叠线的涡轮弯扭叶片进行寻优设计。所提出的弯扭叶片工程设计方法已经在多个涡轮气动设计中得到应用。     

复合掠弯轴流增压设计技术

提高增压比是未来涡扇发动机实现低耗油率需求的关键途径,而级数少、重量轻、长度短的高负荷轴流增压系统一直是研究重点。小展弦比复合掠弯能够有效控制超声速流动损失以及大折转角下的流动分离,是高负荷设计技术的重点发展方向。本文在大前掠带箍风扇基础上,开展了高负荷两级风扇超跨声速级间流动匹配研究,发展了全新的小展弦比、三维掠弯设计方法;基于试验结果完成了一维、二维特性模型修正,采用优化方法建立了全工况性能匹配调节规律,并完成了优化调节试验验证。以此为基础,为进一步提高负荷,开展小展弦比串列叶片前段减速增压、后段折转增压概念原理设计和试验验证;运用数值模拟方式进行了动叶自循环吸附验证;完成了低反力度气动布局设计和静叶吸附的试验验证。最后,初步讨论了可变流量Flade叶片构型面临的高效率全超声速动叶设计、环内壁低损失超声速流动控制等技术挑战,以及柔性叶片和智能材料相融合的造型设计方法。     

高负荷弯掠叶片力学模型与应力抑制研究

几何构型对叶片应力的影响规律是高负荷弯掠叶片应力优化的关键。建立了带有弯掠与扭曲结构特征参数的叶片力学模型,研究了掠形与扭转构型对叶片应力分布的影响。结果表明:弯掠造成的附加弯矩与叶型截面形心位置紧密相关,弯曲应力极值可能出现在叶型前缘、尾缘和叶背中部三个区域;扭转造成的附加扭矩的大小由叶尖到叶根逐渐增加,在叶片自然扭曲率较小时,附加扭矩为负方向,其作用致使叶片解扭;对于典型弯掠叶片,其离心力作用下的径向力载荷决定着自身的截面平均应力水平,而附加弯矩和扭矩载荷决定着截面的应力分布形式。在给定的叶型条件下,可通过掠形方式的调整使附加弯矩与扭矩相抵消,降低叶片峰值应力30%以上。     

基于积叠线设计的弯掠叶片静强度优化方法

将叶片积叠方式作为结构设计的自变量,实现弯掠叶片的参数化建模,为适应优化设计的迭代要求,发展了一种能够自动更新的叶片有限元结构化网格模化方法。基于Voronoi图的自然邻点插值法,编制了高稳定性的气动载荷插值程序,可高效地完成流场分析结果向结构静强度分析中气动载荷的自动转换。引入子模型的思想对叶根边界条件进行等效处理,采用遗传算法建立基于叶片积叠线设计的自动优化方法,用以解决弯掠叶片静强度问题。通过高负荷弯掠叶片的工程实例应用,验证了优化方法的可行性和有效性,相对于初始设计,积叠线设计可以有效地改善叶片应力分布,应力幅值下降8.9%,使其满足静强度设计要求。     

动力涡轮弯扭导向叶片的设计

根据QD128地面燃气轮机动力涡轮的工作特点,采用叶片弯扭成型方法成功地进行了二级导向叶片的设计,有效地提高了涡轮设计效率。通过不同的叶片弯曲规律对涡轮性能的影响进行了三维计算分析,分析结果证实了应用弯角适合的弯扭叶片能够改善涡轮叶栅的流动情况和效率。     

跨声速轴流压气机转子弯掠控制机理

以1.5级跨声速轴流压气机为研究对象，采用三维数值模拟方法研究弯掠叶片技术对压气机不同工况的控制机理.结果表明:设计转速时前掠与反弯的组合弯掠优于前掠与正弯的组合弯掠，而部分转速时正好相反，这是因为不同弯掠方案对跨声速压气机不同工况的控制机理不同.设计转速时弯掠叶片改变叶顶激波强度和位置以及叶顶间隙泄漏涡强度，并改变叶片表面展向“C”型压力分布，三者共同作用从而提高设计转速时压气机的喘振裕度，但也造成设计转速效率下降；而部分转速时，压气机流场中的激波消失，弯掠叶片改变叶顶吸力面逆压力梯度和增强展向“C”型压力分布，两者共同作用使压气机的稳定性提高，但效率也会下降.      

基于实验设计和响应面模型的风扇转子气动优化设计

针对跨声速风扇动叶中掠、弯结合叶片基于控制点的B样条曲线对积叠线进行参数化,以掠、弯为设计自由度,应用实验设计、三维粘性流场求解、响应面模型及遗传算法对Rotor 67以近尖峰效率工况点为设计点对风扇转子进行了气动优化设计,得到了前掠与弯向旋转方向的复合设计叶片,其总压比有较明显提高。但由于优化是在单一工况点下进行的,其变工况性能不佳。     

环形弯扭静叶栅流场的计算与实验研究

本文应用S2流面正问题计算方法和三维Euler方程的时间推进计算方法对某涡轮弯扭静叶栅流场分别进行了分析计算, 并在环形涡轮叶栅实验台上测试了该叶栅出口截面上气动参数的分布。通过分析、比较计算结果和实验数据, 既考核了算法, 也研究了弯扭静叶栅中的流动机理, 由此得出了对弯扭叶片的气动设计计算具有重要意义的几点结论。      

大转角涡轮叶栅复合弯曲定性分析与应用验证

通过定性推导分析了复合弯曲对叶栅吸力面静压分布与端部周向迁移流体折转过程的影响,明确了复合弯曲对大转角高负荷平面涡轮叶栅流场的影响机制,并结合已有仿真结果进行了初步验证。复合弯曲是在反弯叶片吸力面端部进行局部正弯,令叶片压力面反弯、吸力面端部正弯结合叶身反弯的造型方式。研究表明,复合弯曲设计通过改变吸力面低能流体的展向迁移趋势与周向迁移流体的折转趋势抑制了叶栅二次流的发展。一方面,复合弯曲设计调节了叶展中部与叶栅端部附近吸力面逆压梯度与展向静压梯度分布,抑制了吸力面低能流体向脱落涡与壁角涡高损失区的迁移与堆积;另一方面,复合弯曲设计影响了周向迁移流体折转过程,抑制了周向迁移流体向叶栅端部的折转及其折转过程中与吸力面附近流体的掺混。因此,复合弯曲设计能够在常规反弯基础上进一步改善叶栅流场。      

Blade bowing effects on radial equilibrium of inlet flow in axial compressor cascades

The circumferentially averaged equation of the inlet flow radial equilibrium in axial compressor was deduced.It indicates that the blade inlet radial pressure gradient is closely related to the radial component of the circumferential fluctuation (CF) source item.Several simplified cascades with/without aerodynamic loading were numerically studied to investigate the effects of blade bowing on the inlet flow radial equilibrium.A data reduction program was conducted to obtain the CF source from three-dimensional (3D) simulation results.Flow parameters at the passage inlet were focused on and each term in the radial equilibrium equation was discussed quantitatively.Results indicate that the inviscid blade force is the inducement of the inlet CF due to geometrical asymmetry.Blade bowing induces variation of the inlet CF,thus changes the radial pressure gradient and leads to flow migration before leading edge (LE) in the cascades.Positive bowing drives the inlet flow to migrate from end walls to mid-span and negative bowing turns it to the reverse direction to build a new equilibrium.In addition,comparative studies indicate that the inlet Mach number and blade loading can efficiently impact the effectiveness of blade bowing on radial equilibrium in compressor design.     

非定常条件下叶片弯曲对流场参数的影响

分别对具有弯、直导叶的一级涡轮叶栅流场进行了非定常的数值模拟。研究了叶片弯曲对多级叶栅流场非定常气动性能尤其是效率的影响 ;分析了叶片弯曲对尾迹扩散效应及对其三维形状的影响 ;以及尾迹形状与扩散过程的变化对动叶进口条件的改变 ;同时还研究了叶片弯曲对涡轮级内非定质量堆积的影响。通过对定常效率与非定常效率波动及其平均值的对比 ,分析了在考虑非定常条件下弯曲导叶对降低本列叶栅损失与动叶内损失的贡献     

单级压气机气动优化设计

针对单排叶片气动优化设计难以保证级性能的问题,对一单级跨声速压气机进行了动静叶匹配的同时优化设计。以动叶中的掠、倾,静叶中的弯为设计自由度,对NASA Stage35进行了以气动设计点与峰值效率点为优化点的多工况气动优化设计,得到了动叶前掠、静叶向压力面侧弯曲的优化压气机级,其全工况性能均有不同程度的改善。     

具有弯扭叶片的燃气透平正问题计算方法

本文开发了一个实用的多级燃气透平S₂流面跨音正问题的计算程序,用它对一台燃气透平的改型设计进行了计算。通过计算研究了弯扭叶片在透平改型设计中应用的可能性;分析了不同的叶片弯曲方法给透平性能带来的影响;提出了对弯扭叶片的气动设计具有指导意义的意见。      

基于NURBS的三维轴流压气机叶片的几何型面优化研究

应用NURBS建立了三维轴流压气机叶片的几何型面优化模型,将叶片的气动性能参数与NURBS形状控制权因子关联,形成一套优化判断准则。通过对某型轴流压气机静子叶片优化设计的实例验证,对比研究了优化前后叶片气动性能的差异,证实了该方法可以灵活快速地优化叶片的几何型面,以满足气动性能的需求,具有较好的工程应用价值。      

考虑冷气的多级涡轮翘曲S1流面的气动优化

为了缩短涡轮气动设计的周期,进一步发掘涡轮叶型的改进潜力,搭建了多级涡轮的翘曲S1流面气动优化平台.该平台具有速度快,周期短的特点.在考虑冷气的前提下,对多级叶片进行多层并行优化,避免了单列优化后叶列间匹配差的缺点,同时克服了多层S1流面的气动效率此消彼长的缺陷.对某型两级高压涡轮进行了气动优化设计,优化后10%,50%,90%叶高的S1流面的考虑冷气的气动效率分别提高了0.569%,0.490%,0.405%;第1级和第2级考虑冷气的气动效率分别提高了0.18%,0.05%;涡轮整体气动效率提高了0.15%;优化效果明显.经过分析可知,优化有效减小第1级导叶的通道横向二次流损失和第1级动叶的激波损失,第2级的原始叶型设计较为合理.下端壁喷射冷气是降低S1流面优化有效性的重要原因.