大子午扩张涡轮扇形叶栅变工况性能实验研究

为了研究大子午扩张低压涡轮变工况下的流动性能,分别对大子午扩张低压涡轮的两套不同的扇形叶栅进行气动实验研究。在设计进口气流角条件下,分别进行不同高亚声速马赫数出口变工况实验研究;在出口马赫数不变的条件下,完成变攻角实验。分析了大子午叶栅流动损失特点和二次流的影响规律。结果表明:大子午扩张实验叶栅出口存在两个明显的高损失通道涡,上通道涡位于展向1/3位置,远离上端壁,且强度明显大于下通道涡。随着马赫数增加,叶栅出口流动损失增加了15%。大子午扩张涡轮端壁曲率影响近端壁叶片的压强分布和变工况敏感性,优化端壁曲率将有助于流动状态的改善。     

大子午扩张涡轮叶片正交设计及性能分析

在大子午扩张涡轮中,流道的子午扩张会造成较强的端部二次流动,从而产生较大的端区损失。为重组大子午扩张端区流动以减小端区损失,对燃气轮机动力涡轮第一级静叶进行正交设计优化,并对重新设计的正交叶片和原型叶片进行数值模拟计算及对比分析。研究结果表明,采用正交叶片作为大子午扩张静叶的涡轮级效率有明显提高,正交涡轮使得上下端壁的流动趋于平缓,并使得上端壁的通道涡减小,上端壁的流动沿"C"型压力场向叶片的中部移动,减少了端区的流动损失。在叶中和叶根部分流动损失也得到了减小。同时径向静压梯度明显减小,改善了附面层径向的串动,第一级涡轮的效率提升了0.74%,主要提升位置在80%到90%相对叶高处,功率提高了0.69%。     

大子午扩张涡轮过渡段的子午型线

在低压涡轮导叶设计中采用三种不同前掠叶型,与原子午型线匹配具有不同分离程度,提出两种子午型线设计方法,采用N-S方程全三维CFD软件对每种方法的多个方案与各种叶型匹配情况下进行数值模拟;研究了大子午扩张涡轮过渡段在不同分离情况下的子午型线优化设计特点。结果表明,通过优化子午型线能够明显提高气动性能,并针对不同分离程度,其提高的限度不同,其子午型线设计的特点也有所不同。     

涡轮低压导向器优化前后气动性能对比实验研究

采用实验方法对某型弹用涡扇发动机涡轮低压导向器原型和改型进行了详细的低速风洞实验。改型在原型基础上增加了多种优化措施。针对低压导向器进口前的中间机匣过渡段具有较大子午扩张角的结构特点,改型采用了等速度梯度过渡曲线来改善机匣段的扩压流动。为了减少导向器叶栅内能量损失的增长,改型采用了正弯叶片、后部加载叶型以及其它综合措施。实验结果表明,改型低压导向器的气动性能显著提高,出口总压损失比原型相对减少14.7%,出口气流角沿叶高分布较原型均匀。几种减少损失的方法得到了合理的匹配。      

大子午扩张涡轮端区的流动传热及端区正弯效果的数值研究

为了研究大子午扩张涡轮端区流动和传热特性,并研究叶片端区正弯技术在大子午扩张涡轮中的气动和传热效果,对某大子午扩张涡轮静叶进行数值模拟。运用SST湍流模型精确捕捉流动结构,并进行了气动和传热预测的有效性实验验证。通过分析结果,对大子午扩张涡轮端区流动和传热特性以及两者相互影响关系进行了深入研究,分析了端区正弯技术在重组大子午扩张涡轮端区流动以及合理分布热负荷的应用效果。结果表明:大子午扩张端壁导致涡轮端壁附面层的强烈分离,通道涡分离点提前约15%,高传热区受马蹄涡和通道涡的强烈影响;端区正弯有效地改善了大子午扩张静叶端壁的附面层分离,减小前缘的热负荷25%,提高涡轮的气热性能。     

大子午扩张涡轮端区的流动传热及端区正弯效果的数值研究

为了研究大子午扩张涡轮端区流动和传热特性，并研究叶片端区正弯技术在大子午扩张涡轮中的气动和传热效果，对某大子午扩张涡轮静叶进行数值模拟。运用SST湍流模型精确捕捉流动结构，并进行了气动和传热预测的有效性实验验证。通过分析结果，对大子午扩张涡轮端区流动和传热特性以及两者相互影响关系进行了深入研究，分析了端区正弯技术在重组大子午扩张涡轮端区流动以及合理分布热负荷的应用效果。结果表明：大子午扩张端壁导致涡轮端壁附面层的强烈分离，通道涡分离点提前约15%，高传热区受马蹄涡和通道涡的强烈影响；端区正弯有效地改善了大子午扩张静叶端壁的附面层分离，减小前缘的热负荷25%，提高涡轮的气热性能。     

基于压力场分布的大子午扩张涡轮非轴对称端壁造型方法

为提高大子午扩张涡轮端区气动及传热性能,基于大子午扩张涡轮上端壁静压场分布细节,使用Bezier曲线与正弦三角函数曲线相结合的非轴对称端壁造型技术,对某1.5级大子午扩张涡轮第2级静叶上端壁进行8种非对称造型设计,并通过SST（shear stress transfer）湍流模型数值求解RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations）方程组对造型前后端壁进行了流动与传热特性的研究。结果表明：对大子午扩张涡轮上端壁进行非轴对称造型设计可有效改善其上端区叶片通道内横向压差分布情况;对其上端壁压力面进行通道内凸起造型可降低出口总压损失,当凸起幅值为S2叶高的5%时,出口总压损失最多可降低约1.1%;对其上端壁吸、压力面均进行通道内凹陷造型将减小机匣与叶片的热负荷,当凹陷幅值为S2叶高的5%时,机匣及叶片的热负荷最多可分别降低约3.1%与2.8%。     

大扩张角子午流道型线对损失的影响

采用数值计算方法对具有大扩张中间机匣的某型涡轮低压级子午流道型线进行了改型设计，提出了7种型线设计方案，并应用N－S方程全三维粘性求解程序对7种方案进行了验算，结果表明：子牛扩张型流道外壁型线的改变，对低压导向器出口能量损失的影响是显著的，设计气动性能优良的子午扩张型线能明显削弱由于大扩张角引起的气流分离，降低涡轮低压级的损失。     

绊线对大子午扩张涡轮端壁的气动及传热性能影响研究

为了探究绊线对大子午扩张涡轮端壁边界层分离和马蹄涡的削弱效果,分析绊线对大子午扩张涡轮端壁传热特性的影响。对某1.5级涡轮应用SST湍流模型对端壁流动进行精细捕捉,并进行了气动和传热的有效性实验验证。结果显示：绊线减弱了叶片前缘驻点高压区,使得上端壁分离点位置提前;绊线增强了来自涡轮动叶的泄漏涡强度,但极大地削弱上通道涡;此外,中间位置绊线使得总压损失降低了2.28%。叶片前缘热负荷增加,Trip(5.3% E)绊线使得叶片表面热通量降低1.66%。大体上讲,绊线的引入减小了大子午扩张涡轮通道涡等二次流的影响,优化了大子午扩张涡轮的流场,降低叶片表面换热量。     

大涵道比发动机多级低压涡轮气动设计

基于大涵道比航空发动机多级低压涡轮设计研究,分析了大涵道比发动机多级低压涡轮气动设计特点和主要设计参数的设计选取原则以及发展趋势,研究了过渡流道设计参数的选取标准、过渡流道优化设计方法以及对多级低压涡轮子午流道设计与功率分配方法,综合分析了多级低压涡轮功率分配需要考虑的各项因素,并探讨了高升力涡轮叶型设计方法。研究表明:过渡流道方案设计可以采用长高比及当量扩张角作为初步选取标准;多级低压涡轮功率分配要综合考虑不同工况性能及气动设计参数;完成设计的大转折角后加载叶型能够有效地控制涡轮叶栅内的流动损失。     

子午修型对1.5级大子午扩张涡轮端区流动传热性能影响研究

大子午扩张涡轮由于子午型线扩张度较大,因而易导致端区边界层分离及热集中,针对这个现象,采用数值模拟方法,并采用正弦曲线对某型1.5级大子午扩张涡轮子午型线采取了8种修型方案,研究子午修型对于端区流动传热性能的影响。计算结果表明,子午修型可以有效地控制端区的分离流动,从而影响着通道涡与脱落涡强度及位置,也影响着端壁及叶片上热负荷分布。在本文研究条件下,振幅为三分之一叶片最大厚度的前凹后凸子午型线有效地减弱了脱落涡引起的损失,进而使整体总压损失减小6.06%,并可以减弱端壁及叶片传热集中,使叶片最大热负荷减轻21%。     

基于粘性伴随方法的涡轮叶片二次流损失优化设计

在航空涡轮叶片设计中,减少流动损失对改善涡轮叶片性能具有十分重要的意义。本文介绍了一种连续伴随方法在涡轮叶片优化设计中的应用,通过对某低展弦比涡轮叶片的根壁外形进行优化来减少二次流损失。首先通过改变叶高方向的安装角分布使得气流出口偏转角逼近目标分布,以此验证粘性伴随方法的精确性和有效性。其次,在优化二次流损失时,设计目标选取为叶片通道出口的熵增,同时满足出口流动偏转角约束。最后,分析讨论了叶片根壁外形变化对减小二次流损失及二次动能的影响。结果表明：该优化设计能有效地减小二次动能,从而提高叶片的效率。     

大子午扩张涡轮的根部型线研究

大子午扩张涡轮具有外壁侧来流易分离、导叶出口径向压差较大等特点,对根部型线优化改型和原型进行全三维数值模拟,分析了下端壁叶型型线对流动的影响,并研究了根部型线设计特点.结果表明:优化根部型线,能够合理的对栅前流量径向分布进行调整,减弱甚至消除顶部来流分离,改善顶部流动;同时,此叶型也能合理的改善出口马赫数分布以及出口压力径向分布,减弱和消除吸力侧出口S₁面分离的径向流动,改善根部流动.      

基于并行遗传算法的向心涡轮气动优化设计

为了提高向心涡轮轮周效率,保持流量、膨胀比不变,以流道、安装角、型面为设计变量,基于并行遗传算法的优化方法,对某微型发动机向心涡轮叶片气动性能进行多变量耦合的自动优化设计,利用商用软件NUMECA进行3维流场计算分析,并比较了优化前后向心涡轮转子的总体性能。结果表明:在设计工况下,向心涡轮的轮周效率提高近3%,流量也略有增加,膨胀比近似不变;在非设计工况下,优化叶片效率均高于初始叶片的,向心涡轮的整体性能得到提高。该算法不仅可自动实现多变量耦合优化,而且可高效地得到高气动性能叶片。     

超高负荷涡轮弯曲叶栅的实验研究

对具有160°折转角的超高负荷涡轮叶栅开展了实验研究,通过实验测量和流动显示,并借助流谱拓扑分析手段,考察了叶片弯曲对超高负荷涡轮叶栅气动性能的影响.结果表明:弯叶片对超高负荷涡轮叶栅的作用效果与传统低负荷涡轮具有明显差别,叶片正弯时,流场进一步恶化,损失明显增加;而叶片反弯时,流场得到改善,损失降低.      

基于体积力模型的1维涡轮特性评估方法

涡轮低维气动特性评估方法的预测精度对涡轮气动设计有重要意义.基于适用于轴流涡轮特性评估的1维体积力方法,分析和局部调整了Adam和Leonard的1维体积力模型中的叶片力源项和离心力源项,并在特性计算中引入涡轮损失模型.通过1个低压涡轮和1个含冷气高压涡轮对该方法进行验证,计算结果表明:该方法对2个算例在涡轮设计工况点的流量效率预测偏差均在1％以内,且能够反映涡轮气动特性随膨胀比的变化趋势,具有良好的精度,可用于快速可靠地评估涡轮低维气动特性.     

涡轮静叶叶型与气膜孔优化对气动与冷却性能影响

为研究气膜冷却涡轮叶片中叶型与气膜孔参数变化对涡轮静叶性能的影响,利用气膜冷却涡轮多目标优化平台对存在多列气膜孔的静叶进行多目标优化.获得在优化变量允许范围内针对气动效率与传热效果以及高温目标函数的Pareto前沿解集,整体性能得到了提高,不同方案中气动效率最高提升0.35%,叶片表面温度最大下降0.74%,高温函数降低的最大幅值为45.71%.结果表明:气动效率提升的主要原因是后弯角的提升使得叶型和二次流损失下降;接近驻点处前缘气膜孔方向的改变导致的冷气分流是叶片根部和前缘附近压力侧的冷却情况得到改善的主要原因.     

基于响应面方法的风力机叶片多目标优化设计研究

运用基于响应面方法的优化设计技术,于径向使用NPU-WA-风力机专用翼型族的某1.5MW水平轴风力机叶片的多目标、多约束优化设计研究中。风力机气动性能使用基于叶素-动量理论的风力机性能分析和设计软件PROPID51。设计变量为叶片径向外形参数,包括弦长和扭转角分布,但是相对厚度保持不变;设计目标为年发电量和功率系数的最大化;在多目标优化中,使用"统一目标函数"法将多个设计目标函数通过加权求和统一到一个目标函数中。为减小计算量,响应面模型使用不含二阶交叉项的二阶多项式模型;构建模型中试验点的选择满足D-优化准则。以某1.5MW变速变矩型风力机叶片为例,进行了优化设计研究。叶片径向使用西北工业大学翼型研究中心设计的NPU-WA-风力机专用翼型族,使用CFD计算的气动性能数据作为输入进行了设计,分析了目标函数的权值分配对设计结果的影响;使用风洞测量自由转捩的气动性能数据进行了设计并分析了表面光滑条件对气动性能的影响。     

低雷诺数涡轮叶栅损失的实验与数值模拟

发动机涡轮部件在高空低速飞行条件下工作雷诺数降低,其损失显著增大、效率显著降低。应用实验分析与数值模拟相结合的方法,深入认识高空低雷诺数条件下涡轮流动损失的特征和规律,数值计算是基于Jame son中心差分和Runge Kutta时间推进的N S方程计算的有限体积方法。研究表明,随着雷诺数降低,涡轮叶栅流动损失增大,当雷诺数小于42000之后,涡轮叶栅流动损失呈明显增大的趋势。数值计算结果表明在低雷诺数条件下,涡轮叶栅吸力面后部流动产生了分离,这是流动损失增大的主要原因。数值预测的结果与实验测量结果的趋势吻合得相当好。