涡轮冷却叶片参数化建模及多学科设计优化

建立了一个涉及结构、气动、传热、振动、强度和寿命等学科的涡轮冷却叶片多学科设计优化系统, 进行了单孔薄壁冷却叶片的多学科设计优化.提出了单孔薄壁冷却叶片的参数化造型方法, 叶片叶型采用5次多项式构造, 气动与传热为三维耦合分析;叶片体积平均温度与最高温度为优化目标, 强度、振动和寿命等学科相关参数为约束, 模拟退火与序列二次规划组合算法进行叶片参数空间寻优, 在保持冷却气体流量不变的条件下, 优化提高了冷却效果, 降低了叶片材料的性能要求.      

基于人群搜索算法的Dykas汽轮机叶栅型线重构

针对汽轮机叶片智能优化设计中的叶片参数化建模与型线重构问题,首先基于三次Bezier曲线推导了叶片型线的坐标方程,根据叶片基本几何参数实现了汽轮机叶片型线的参数化表达。在构建的参数化模型的基础上,根据已知的叶型坐标点数据,采用人群搜索算法(SOA)重构实际汽轮机叶片型线,并通过叶型重构算例对SOA和粒子群算法(PSO)进行了对比分析。结果表明：基于Bezier曲线构建的参数化型线光滑性好质量高,所提方法可以任意修改叶型几何参数并再生模型,实用性较强且效率较高。基于SOA优化算法的叶片型线重构方法可以准确重构Dykas汽轮机叶片型线,且SOA重构叶型的方法收敛速度快、收敛结果更稳定,为汽轮机叶片优化设计奠定基础。     

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。     

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.     

小叶片弦长对跨声轴流风扇气动性能的影响

针对某型跨声轴流风扇大小叶片转子,通过优化去除小叶片中弧线形状的影响,对比分析了最高效率点工况下小叶片弦长对转子气动性能的影响.发现小叶片前缘膨胀波可以调整大叶片壁面附面层逆压力梯度段的长度和逆压梯度的强度.正确选择小叶片前缘位置可以降低附面层损失,抑制大叶片后部分离,合理分配气动负荷.      

曲率连续的压气机叶片前缘设计方法

为优化压气机叶片前缘形状以改善叶型性能,提出了一种曲率连续叶片前缘的设计方法。前缘设计过程基于三次Bezier曲线,只需引入三个设计变量。使用该方法对可控扩散叶型前缘进行了重新设计,并采用计算流体力学方法比较了不同前缘形状对于叶型气动性能的影响。计算结果表明新型前缘在来流马赫数0.2和0.6两种下均能够有效抑制前缘分离泡的产生和发展,与圆弧形和椭圆形前缘相比叶型攻角范围分别扩大约1.2°和2.5°。对跨声转子叶片的前缘进行重新设计后,提高了动叶效率,扩大了稳定工作范围。      

基于边界涡量流的二维叶型优化建模与求解

针对二维叶片整体造型优化问题,提出一种基于边界涡量流的二维叶型优化模型,并对该模型进行求解。建立以含参数的Bezier曲线定义的二维叶型型线为边界、以边界涡量流正峰值的最小化为目标函数的优化模型,通过分析边界涡量流的生成机制,把叶型型线边界信息代入边界涡量流中,将边界涡量流用叶型型线参数和型线上的气动参数表示,进而获得新的目标函数表达式。该目标函数表达式可直接对叶型型线参数求导,仅使用简单的定步长梯度算法即可对优化模型求解。结果表明:优化后的叶型型线上的边界涡量流的正峰值显著降低。     

超临界机组末级叶片典型截面的叶型设计

针对超临界机组末级长叶片的设计特点,采用遗传算法和人工神经网络,提出对长叶片典型截面叶型进行分区优化设计思想,并对原型与改型进行了多工况点的数值计算,结果表明,将叶型吸力侧后半段由直线型改为内凹型,能够显著降低超声速叶型在超声速工况范围内的叶型损失。对叶型前缘以及压力侧的局部优化设计能够改善超声速叶型在临界马赫数工况下的气动性能。优化设计最大程度地减小了样本空间,提高了优化效率。     

重型燃气轮机压气机多截面叶型优化设计

出于对叶型沿叶高方向的不同以及不同叶高处气动边界的不同两方面考虑,开发了一套叶片多截面叶型优化的设计流程.以单级高负荷压气机的进口导叶和大折转角静叶为优化对象,以多截面关联的性能参数为优化目标,采用考虑附面层转捩的MISES计算程序对叶型气动性能进行分析,并通过遗传算法对叶片进行优化.结果显示:在有效工作范围内,各截面叶型经优化后，前部负荷提高,中部及后部负荷降低,性能得到一定提升.三维数值模拟结果显示,在无大尺度二次流动的条件下,多截面叶型优化方法对提升叶片性能切实可行.      

叶轮机叶片的三维造型及其对叶片气动负荷的影响

研究叶轮机叶片的弯扭及掠形等因素对叶片气动负荷分布的影响。给出了一个针对叶轮机内部流动的一般的掠角定义。基于线化的小扰动理论,用解析方法对叶片三维造型各因素的位势影响进行了分析,并用三维粘性数值模拟进行了验证和分析。分析结果表明,叶轮机叶片的弯扭和前缘掠形对叶片的负荷分布有重要的调节作用。合理利用三维造型的负荷调整功能可有效地调整负荷沿展向和弦向的分布,为叶型设计提供新的自由度。      

空心气冷低压涡轮动叶气热耦合数值模拟

以空心气冷低压涡轮动叶为研究对象,采用高质量的流体域和固体域网格控制技术,带转捩模型的双方程SST湍流模型,开展了基于CFD方法的叶片气热耦合问题研究。获得了不同冷气流量比(分别为1.0%,1.38%,1.8%和2.2%)、温比(分别为2.1,2.25,2.3,2.4和2.5)和压比(分别为1.4,1.6和1.8)对叶片换热特性的影响规律,设计状态中截面按弧长平均的叶片壁面金属温度计算值较试验值偏小0.3%,气热耦合计算的叶片壁面温度分布与试验结果吻合良好,验证了气热强耦合计算方法的精度,为涡轮叶片温度场分析提供了一种有效的方法。     

密度比对涡轮叶片表面气膜冷却换热系数的影响

 采用放大的叶片模型，利用大尺寸低速线性叶栅风洞进行试验，测量了涡轮工作叶片表面不同位置处气膜孔下游叶片表面的换热系数，研究了不同吹风比、密度比和雷诺数的影响。风洞试验段由3个叶片组成，其中中间的叶片为试验叶片。试验叶片表面上开有6排气膜孔，其中吸力面1排，前缘区3排，压力面2排。试验结果表明：密度比对叶片表面气膜孔下游换热系数有影响，以往采用空气作为主流及二次流，在低温差下进行试验，所获得的叶片表面气膜孔下游的换热系数在用于涡轮叶片气膜冷却的实际设计时，必须进行修正。     

涡轮叶片表面气膜冷却的传热实验研究

对压力面和吸力面各有双排气膜孔冷却的涡轮导向叶片表面进行了详细的传热实验研究,在不同吹风比下获得了当地气膜冷却效率和换热系数,结合流场测量结果分析了叶片表面冷却和换热规律。结果表明不同孔排位置叶片表面气膜冷却效率和换热规律有很大不同,孔排位置一定时,冷却效果主要由吹风比决定。结果还表明尽管冷气喷射使型面换热系数随吹风比的增大而显著增大,气膜冷却还是能有效的降低型面的热负荷,其中以中吹风比喷射时冷却效果最为显著。     

斜劈式翼型扰流柱冷却通道流动与换热数值研究

基于NACA翼型和斜劈式纵向涡发生器结构设计了一种新型斜劈式翼型扰流柱及其在冷却通道内的排布形式,采用数值模拟方法对含有该种翼型扰流柱的涡轮叶片冷却通道流动换热特性进行了研究,得到了流场和温度场的详细特征及含有斜劈式翼型扰流柱冷却通道的换热能力。分析结果表明:斜劈式翼型扰流柱有良好的强化换热效果。该翼型扰流柱的斜劈式结构可以在其尾缘后方形成持久而稳定的二次流纵向涡,有助于加强流场的扰动作用,从而增强通道换热能力。      

射流、旋流、出流共同作用下矩形通道换热特性

在放大模型上详细研究了不同雷诺数和出流比下涡轮叶片内冷通道中冲击靶面、出流面和冲击侧面的换热特性.采用热色液晶瞬态测量技术测量通道内部各个面的传热系数,得到以下结论:靶面直接受到射流的第一次冲击,射流形成旋流对出流面进行第二次冲刷,对冲击侧面进行第三次冲刷;靶面受到冲击孔射流的直接冲击,因此换热最强;冲击侧面只受到旋流、横流影响,因此换热最弱;冲击和旋流是通道各个面换热强化的主要原因;换热随雷诺数的增大而增强.出流比对各个面的换热分布及大小也有一定影响.      

污垢沉积影响叶片表面换热的研究

选用了两个实际透平叶片MARKⅡ静叶和某高压透平静叶,前者为光滑叶片,后者为表面覆盖有圆台的粗糙表面叶片.利用CFD数值模拟技术对叶栅流道特性和叶片表面换热分布进行数值模拟计算,数值计算结果与实验结果对比验证了数值方法的可靠性.研究表明,准确预测转捩位置和选取合适的y+值是计算叶片表面换热特性的关键,剪切应力输运(SST)转捩模型预测的结果最令人满意.在粗糙叶片表面数值计算中,对表面粗糙度模型进行验证,然后详细分析了污垢沉积对叶片表面换热的影响.结果表明:随着叶片表面粗糙度的增大,叶片近壁面湍流增强,叶片的表面传热系数增大.      

基于网格重生成的涡轮叶片变形传递方法

在涡轮叶片多学科优化中需要在气动模型和结构模型之间进行耦合信息(气压、温度和变形等数据)传递,来考虑学科耦合的性质.采用修正几何外形和网格重生成的方法实现了叶片结构变形向气动模型传递.传递时在叶片几何模型上增加若干外形控制线,叶片的外形由这些控制线的形状来决定.根据叶片结构变形,调整控制线节点位置坐标,以修改叶片外形控制线的形状,可以实现变形向叶片几何模型的传递.进一步,重新生成气动网格,可以得到结构变形后叶片的气动网格模型.      

高压涡轮尾切凹槽叶尖冷却换热特性

为研究尾切凹槽状涡轮叶片叶尖的表面换热,通过瞬态风洞实验得到无冷却和带除尘孔两种情况下叶尖表面传热系数,并将其与数值模拟结果进行对比,实验结果的不确定度小于5%。分析叶尖间隙流场情况,无冷却时,由于腔底的空腔涡和凸肩壁的分离泡,高表面传热系数集中在压吸力侧凸肩和腔底前缘处;腔底后半段沿压力侧存在条状低表面传热系数分布。有除尘孔冷却时,冷却气体分为高低能两股流体,高能流体随泄漏流流出,造成吸力侧凸肩存在多段高表面传热系数集中分布;低能流体紧贴凹槽压力侧向后流动,对应位置冷却效率可达0.4以上。