涡轮叶片气动设计软件BladeDesign

涡轮叶片气动设计软件BladeDesign将涡轮气动设计中迭代最频繁的叶栅几何设计、s1流面计算、叶片积叠三个环节集成起来,极大地提高了涡轮部件设计的效率。叶栅型线设计采用目前流行的Bezier曲线,叶栅造型方法充分考虑了工程实际。集成的S1流面计算网格划分采用ANSYS ICEM CFD 11．0,分析采用ANSYS...     

基于反方法的高负荷涡轮动叶激波控制

为控制高负荷涡轮叶栅中的激波、改善涡轮叶栅流动状况,针对E3涡轮第二级动叶中间叶高叶型,通过修改叶型吸力面压力分布进行了弱化激波S1流面反方法研究,并基于反设计叶型,对涡轮整级性能进行了三维数值计算分析。S1流面求解器选取MISES程序,应用Mixed模式反方法对叶型表面压力分布进行修改,并在反设计过程中临时"冻结"边界层来提高计算鲁棒性,加速收敛。结果表明,S1流面反设计叶型变薄,喉道位置前移,叶栅通道内激波强度明显削弱,叶型尾迹损失明显降低;涡轮整级环境下,反设计叶型使低背压工况下的等熵效率提高了约0.55%,涡轮出口激波强度显著降低,高效运行区拓宽,变工况性能较原始涡轮得到优化,验证了本文反方法的可行性。     

涡轮叶栅叶型损失的数值模拟方法

给出了一个计算亚、跨音涡轮叶栅叶型损失的数值计算方法。主流采用时间推进有限体积法求解积分型欧拉方程,并采用了局部网格修正技术;附面层采用全隐格式求解有限差分方程;在叶栅出口与远后方均匀流之间进行了叶片尾迹与主流的掺混损失计算。算例表明本文的数值方法可准确地预测涡轮叶栅的叶型损失。     

对转涡轮特有叶型自动设计程序

作者曾为国家“七五”攻关课题完成了一套涡轮叶栅自动设计程序[1 ] 。在给定了叶栅进、出气马赫数 ,进气角与工质等熵指数后 ,此程序就能自动选择其它设计参数并计算出良好叶栅。但它是为常规涡轮叶型而编制的 ,未包括对转涡轮所特有的进、出气向量均在轴向同一边的叶栅 (见图 1下半 ,本文简称为小折转叶栅 ) [2 ] 。本文将此自动设计程序推广到对转涡轮 ,叙述了相应的物理考虑与数学处理 ,且给出多个算例。1　对小折转叶栅的特别考虑　　上述自动设计程序是用中心流线法解析解编制的。有关此法可详见文献 [3]。主要的设计自变参量是相对栅…     

多级考虑冷气掺混流片变厚度的S_1流面研究

为减少气冷涡轮气动设计难度,提出一套基于多级气冷涡轮考虑冷气掺混及随流道翘曲、变厚度的S1流面计算思路,编制了带冷气的翘曲S1流面薄片计算的参数化方法程序及网格自动生成程序,改良了传统平面薄片,对比分析了改良后平面薄片、翘曲S1流面薄片以及三维计算间差异,对某高压涡轮进行了翘曲S1流面薄片气动优化.结果显示:与三维计算对比,改良后平面薄片最大流量差距为22.68%,翘曲S1流面薄片为3.58%,一维数据上翘曲S1流面薄片更逼近三维计算;型面压力分布及马赫数云图分布上翘曲面S1流面薄片较改良后平面薄片更贴近三维计算;采用翘曲S1流面薄片进行优化后,效率较原始方案提升0.41%,流量较原始方案仅增加0.21%.     

叶栅二次流旋涡结构与损失分析

采用三维粘性程序对某型动力涡轮的第一级进行了数值模拟, 模拟结果捕捉到了该涡轮级叶栅的内部流的流动细节, 展示了涡轮叶栅端壁和型面流动及叶栅通道内的三维流动结构.通过对叶栅中的二次流现象和流动损失机理的分析, 揭示了该涡轮级叶栅通道内二次流旋涡结构(马蹄涡、通道涡、壁角涡、尾迹涡、泄漏涡等)的演变过程, 以及旋涡结构对损失分布的影响.      

数值求解二维定常跨音速流场多重解现象探讨

本文用时间推进法求解欧拉方程组计算二维平面叶栅绕流问题数值实验是否有多重解现象。计算结果表明,求解欧拉方程组进行流场数值模拟最终收敛与初场无关,不存在解不唯一问题,进而计算初场熵值大小,也发现初场熵值大小不影响终场结果。     

基于流场计算的叶栅性能预测研究

通过对搜集到的损失和落后角模型进行优化筛选并修正,发展了一套基于S1流面计算结果的适用于亚音速叶型平面叶栅性能预测的组合模型。同时,考虑了轴向密流比对平面叶栅性能的影响,并验证了关于轴向密流比和落后角关联式的正确性。流场计算程序使用了S1流面无粘计算程序和附面层计算程序,更好地模拟了流场。通过计算与实验对比分析,验证了损失和落后角模型的有效性,为此类叶型的平面叶栅特性预测提供了数值计算技术。     

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。      

低压涡轮导向叶片平面叶栅试验及数值模拟

基于低压涡轮导向叶片平面叶栅设计性能的研究,进行了平面叶栅试验,并采用商用CFD软件NUMECA建立了平面叶栅3维计算模型,得到了各性能参数随出口等熵马赫数的变化曲线、叶片表面等熵马赫数分布曲线、以及S1流面等熵马赫数分布。计算与试验结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好;本叶栅具有后加载特性,亚声速段的损失较小;在设计工况时流动状态较好,流道中没有出现超声速区和激波现象。     

两级涡轮三维无粘定常流场的数值模拟

采用三阶精度TVD格式和隐式近似因子分解方法, 求解了某型航空发动机两级低压涡轮的三维稳态流场。控制方程为欧拉方程组, 流动损失以分布体积力的形式加入到方程组中。动静叶之间的参数传递采用了一种新的周向平均模型, 基于连续流场的假设, 各列叶栅的进出口条件采用了新的给定方法。为了证实本文方法的可靠性, 与S2流面计算的结果进行了比较。      

多级涡轮多目标气动优化设计流程

在准三维设计基础上,采用多目标优化设计方法,给出一个多级涡轮气动优化设计流程,优化联合采用人工神经网络和遗传算法,流场计算采用全三维粘性流N-S方程求解。此优化设计流程有三个特点:针对每列叶栅的气动特性进行局部优化;各列叶栅反复多次优化;粗细网格交替使用。并采用此设计流程对一三级涡轮进行优化设计,效率提高1%,说明此方法可以有效的用于多级涡轮气动优化设计。     

低雷诺数条件下涡轮性能的计算研究

基于求解欧拉方程的方法,发展了能将多种不同损失模型耦合起来的涡轮S2流面准三维计算程序.并在不同雷诺数条件下对三台发动机涡轮部件性能进行了计算.计算结果表明,三套涡轮的效率及流通能力随雷诺数减小的变化量低于俄罗斯经验关联曲线所给出的变化量,但总体趋势比较吻合,不同的模型计算结果差别较大.      

用N-S方程计算三维叶栅流

发展了基于微元中心有限体积方法,采用雷诺平均N-S方程求解三维叶栅流动的程序,特别注意了格式中人工粘性的加法;程序采用Baldwin-Lomax模型。格式经过平板层流及湍流流动的校验,层流与Blasius解、湍流与实验经验公式及Wilcox的计算值符合很好,最后以Goldman涡轮导向器为例进行了叶栅流动计算校核,结果符合于实验以及Chima等人的计算。      

尾缘S3面积比梯度对涡轮后机匣的影响

针对整流叶栅与支板融合设计中难以采用三维叶片造型对二次流进行控制的情况,开展对涡轮后机匣内部整流叶栅尾缘S3面积比梯度的研究。以某15级涡轮为例,通过数值模拟的方法,对比三种设计的内部流场和气动性能,验证了降低尾缘S3面积比梯度控制角区二次流的方法。结果显示:尾缘S3面积比梯度从001降低到-005时,整流叶栅总压恢复系数从0979升高到0991,5%展高处S参数从0011降低到0005,吸力面和轮毂端壁处的回流区消失,角区分离得到有效控制;尾缘S3面积比梯度从-005降低到-010时,吸力面角区流动速度增加,5%展高处S参数不再变化、堵塞程度降低、轴向密流比(AVDR)升高、总压恢复系数升高。     

进口不重合和轴对称造型对跨声速涡轮叶栅端壁传热特性的影响

为有效评估实际燃气涡轮叶栅进口端壁不重合和轴对称收敛端壁造型对叶栅端壁传热特性的影响,以某工业燃气涡轮第一级跨声速导向叶栅为研究对象,基于商用CFD软件ANSYS Fluent 15.0,研究了3种端壁结构:简化平板端壁、具有子午面轴对称收敛造型的实际涡轮叶栅外端壁(叶顶)和内端壁(叶根)在设计工况(进口湍流强度为16%,出口马赫数为0.85)下的流动和传热特性。计算分析了2种进口端壁不重合度(进口后向台阶高度为0、 6.78 mm)下,3种叶栅端壁结构的端壁热负荷分布、近端壁二次流结构和后台阶涡系发展。结果表明:轴对称收敛端壁造型和进口端壁不重合均会显著改变叶栅端壁二次流结构和热负荷分布规律;轴对称收敛端壁造型可在一定程度上减小端壁热负荷,尤其是叶片前缘肩部和喉部下游等易发生热腐蚀的冷却气膜难以覆盖区域;燃气涡轮实际运行中产生的进口端壁不重合导致叶栅前缘上游典型高传热区面积和强度(增大约140%)显著增大并向叶栅通道内迁移,使叶栅端壁承受着极高热负荷;实际燃气涡轮第一级导向叶栅端壁冷却方案设计必须充分考虑实际端壁造型结构和燃烧室-涡轮交界面端壁不重合对端壁热负荷分布的影响。      

航空发动机整机二维气动热力数值模拟

研究了用于航空发动机整机数值仿真的含粘性力项的二维欧拉流动模型,进行了整机流场数值仿真。用代数和椭圆形偏微分方程混合方法分别生成叶栅通道和燃烧室内贴体坐标网格;分别针对压气机转子、静子和涡轮叶栅,定义了三种不同损失系数;采用高阶精度Godunov格式和时间推进法,交替使用显/隐格式,收敛速度快,计算准确度高。计算了某双轴涡扇发动机设计点的整机性能与部件性能,计算结果与设计数据相吻合,分析整机仿真计算得出的流场参数分布,可以更好的了解流场细节。数值试验表明,建立的程序可以预测发动机稳态条件下的整机性能以及用于发动机的设计与改进,奠定了二维数值试验台建设的基础。     

涡轮叶片外换热计算程序对比研究

对两种涡轮叶片外换热计算程序STAN 5和S1ICH的数值方法进行了比较.采用STAN5和S1ICH程序完成了VKI(Von Karman Institute)高压涡轮导叶和动叶叶栅的外传热系数计算,并将计算结果与试验数据进行了对比.结果表明,S1ICH预估的转捩位置、外传热系数的精度较高,同时S1ICH具有适应性广,收敛性好,准备初始参数方便的特点,满足工程设计计算的要求.      

求解跨声速压气机叶栅粘性流动反问题的数值解

阐述了一种以有限体积的时间推进方法为基础求解跨声速压气机叶栅设计的反问题方法。应用这一技术设计叶型,规定叶片表面无量纲目标速度分布,通过比较目标速度分布和计算获得的速度分布来修改叶片压力面和吸力面的坐标,最终获得要求的叶片形状。计算程序使用分布体力方法模拟粘性,用局部时间步长和多重网格方法加速收敛。还介绍了这种方法求解的基本方程系统,并给出了采用这种方法设计的无激波超临界跨声速压气机叶栅的设计结果。     

基于叶栅型预旋喷嘴的计算方法

随着发动机涡轮前进口温度越来越高,设计好的预旋结构,并准确地进行预旋结构的流体动力计算尤为重要。针对发动机中普遍使用的叶栅型预旋结构,采用商业软件CFX对某种叶栅型预旋喷嘴流动进行了数值模拟计算;根据2种叶栅型预旋喷嘴的试验结果,分析了叶栅型预旋喷嘴的流动特点,同时总结了1套关于叶栅型预旋结构的流体动力计算和预旋相关参数的计算方法,并编制了计算程序。结果表明:用该方法计算得到的预旋相关参数变化规律与真实物理特性相一致。