基于iSIGHT的大膨胀比5.0级向心涡轮多目标优化与分析

针对轻量化、紧凑化、高效化的向心叶轮设计需求，对5.0大膨胀比向心涡轮进行三维多目标优化。首先，基于iSIGHT，集成Numeca，CFX软件及自编程序，搭建了三维气动优化集成系统，实现向心涡轮流道、叶片的参数化、网格划分、数值计算及三维结果的自动处理与优化，且其所需的存储空间仅为原优化系统的2.4%，极大地降低了对计算机存储空间的要求；其次，针对向心叶轮造型参数众多所导致的优化规模巨大问题，采用试验设计方法（DOE）详细地开展了流道、叶片的控制参数对涡轮性能的影响研究，得到造型参数对涡轮效率的贡献度，继而给出了优化变量的选取依据，从102个造型参数中选取23个作为优化变量，减少了优化的盲目性，缩短了优化时长，极大地减轻了工作量，提高了优化效率；最后，考虑涡轮性能、排气损失以及叶轮轻量紧凑化的需求，以涡轮总对静效率η_ts，级出口气流角α₆及叶片的表面积A作为优化目标，采用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化并探讨相应机理。优化后，叶轮的轴向长度缩短了8.09%，叶片的表面积减小了8.46%，有效降低了叶轮的尺寸及重量；在保持涡轮进口流函数和膨胀比基本不变的情况下，设计点涡轮总对静效率提高了0.1%，级出口绝对气流角仅降低1°，且不同转速下涡轮的性能基本保持不变。以上研究表明，该三维优化系统和多目标优化方法的有效性。     

轮背凹槽结构对半开式向心涡轮性能影响数值模拟

为了厘清半开式向心涡轮转子轮背间隙内的流动机理及轮背间隙泄漏流动对涡轮性能的影响，以某半开式向心涡轮为 研究对象，采用数值模拟的方法对轮背间隙泄漏流动进行分析，深入剖析了封严气、泄漏流及主流的运动轨迹，并明确了轮背泄漏损失分布。针对轮背间隙内泄漏流动的特点，对轮背结构进行了改进设计，并研究了轮背凹槽的形状、长度、宽度和深度对泄漏损失的影响。结果表明：半开式向心涡轮轮背存在横向泄漏流动，并与主流和封严气进行掺混，造成流动损失，恶化了涡轮性能，采用轮背凹槽结构后，可有效抑制轮背的泄漏流，降低流动损失。凹槽的形状、长度、宽度和深度对泄漏流的影响程度不同，椭圆形凹槽可使涡轮效率提高0.2%，矩形凹槽可使涡轮效率最大提高0.23%。