大弯角串列叶型形状及相对位置的耦合优化设计

为了提高串列叶型设计的质量,建立了一套结合改进微粒群优化算法、自适应Kriging模型、非均匀有理B样条(NURBS)参数化方法的串列叶型优化设计系统。该系统可以实现叶型形状和叶型相对位置的耦合优化设计。提出了一种改进微粒群优化算法。在微粒群算法中,自适应改变微粒的惯性因子、学习因子、邻域微粒数目可以有效地平衡算法的全局和局部寻优能力。采用人工免疫算子对微粒群进行变异处理可以有效保持种群多样性。运用NURBS方法实现了串列叶型的参数化,设计了一种NURBS控制点的扰动方法,证明了改进EI(expected improvement)准则能使Kriging模型更容易跳出局部最优解。应用该系统优化某大弯角串列叶型,优化结果表明:在设计工况,优化后叶型的总压损失系数降低了40.4%,优化后的叶型在全攻角下的总压损失系数减小了,静压升增加了,在正攻角下的性能改善更明显,证明了该研究的耦合优化设计方法具有很好的实际应用价值。     

气-固耦合设计对斜流叶轮性能影响的数值分析

为了获得在设计工况下性能最佳的叶型,提出一种三维单向气-固耦合迭代设计方法。对三维气动设计得到的热态叶型（记为RT)进行单向气-固耦合计算,获得设计点流场特性和热态叶型变形量。采用基于面积平均的三维插值造型方法,分别获得进行机匣处理和不进行机匣处理的冷态叶轮(分别记为RC和RC-tip)。对冷热态叶轮流场的数值分析结果表明:与热态叶轮相比,冷态叶轮在设计转速下堵塞点流量提高1.93%;冷态叶轮的叶片最小负荷下降约30%;在低转速下,冷态叶轮的性能曲线优于热态叶轮;说明通过该设计流程得到的冷态叶轮在叶片负荷和流通能力等方面实现了优化。      

弯掠优化对高负荷跨声速串列转子的影响分析

为了研究三维弯掠优化对串列转子性能的影响,设计了一套基于NURBS参数化方法和Kriging代理模型的串列转子三维弯掠优化系统。以一高负荷跨声速串列转子为研究对象,分别研究了掠形优化、弯形优化和复合弯掠优化对串列转子性能的影响。结果表明:三维弯掠优化可以改善串列转子的性能,与原型串列转子相比,前掠转子、正弯转子和复合弯掠转子在近设计点的效率分别提高了1%,1.03%,1.47%,正弯转子的稳定裕度增加了23%,但前掠转子和复合弯掠转子稳定裕度有少许下降。在高负荷跨声速串列转子的弯掠优化造型中,前掠造型能改善串列转子叶中和叶尖的性能,叶根性能有所下降,正弯造型能改善串列转子大部分叶展的性能,弯掠优化造型提升高负荷跨声速串列转子效率的原因是弯掠优化降低了转子通道正激波的波前马赫数,而激波位置基本不变。     

高负荷压气机叶栅开缝射流分离控制效果研究

为了控制高负荷压气机叶栅分离,设计了一种弧线型缝隙射流方法,通过叶栅实验予以验证。结果显示,缝隙射流显著的减小了叶栅尾缘分离的宽度,提高了分离区内的气流速度,降低了叶栅流动损失;抑制了叶栅内复杂的端壁二次流,使出口流场更加均匀。在0°,3°和6°攻角下,叶栅的平均损失系数降低了7.0%,32.1%和32.3%,平均气流转折角提高了4.02°,3.59°和1.78°。在-3°攻角下,平均气流转折角提高了0.59°,但叶栅损失系数提高了12.3%。可见在分离条件下,缝隙射流极大提高了叶栅气动性能,但在无分离条件下会引起额外的损失。在整个攻角范围内,开缝叶栅保持了不低于原型叶栅设计点的静压升系数,且稳定工作范围扩宽了至少3°攻角。     

端壁倒圆半径误差对高负荷静叶栅性能影响的不确定性分析

为对压气机静子叶片高精度设计与制造提供有力参考,以某高负荷压气机静子叶栅为研究对象,采用基于高斯分布型随机输入的非嵌入式多项式混沌方法,量化评估了端壁倒圆半径误差对最小损失和近失速两个工况下气动性能的不确定性影响。结果表明:倒圆半径误差的不确定性对气动性能的平均水平影响不大,主要反映在气动性能参数的标准差上。提高倒圆半径的加工精度可提升气动性能的鲁棒性近一倍。加工精度一定时,为对叶片进行鲁棒性优化设计,应重点关注近失速工况下气动损失的鲁棒性。根据公差带内端壁倒圆半径与近失速工况下气动性能的关联性分析,倒圆半径与气动性能呈线性关系,应避免倒圆半径与设计值相比偏小的叶片投入使用,以期获得良好的气动性能。通过近失速流场的不确定性分析,分离流动对于倒圆半径误差更为敏感,是引起气动性能不确定性变化的主要因素。      

高负荷压气机精细化设计

为保证压气机在负荷水平不断提高的同时仍具有良好的气动性能,需要对级间匹配、泄漏流和端区流动的控制进行精细化处理。为兼顾压气机效率和裕度2个指标,需要对流量系数进行精细筛选以获得其最佳取值;通过增加级的反力度,可以有效利用高负荷条件下转子的高稳定性,进而缓解负荷提高后静子易分离失稳的问题,同时使转、静子的扩散因子均得到较好地控制;级间引气流场对压气机的级间匹配有较大影响,需要对引气结构进行优化设计,并在气动设计过程中对相关叶片排的攻角、落后角作出补偿;合理控制篦齿封严泄漏流、转子叶尖泄漏流可以大幅提高高负荷压气机的气动性能;采用波浪壁流路可以较好地控制高负荷压气机的局部端区流动,实现其效率和裕度水平的提升。     

多级轴流压气机级间参数测量的试验研究

较详细地介绍了某多级压气机修改前后,利用叶型受感部测取各级转子出口总压、总温分布的试验方法和结果。试验结果证明该方法是可行的,得到的转子出口流场数据是可信的。叶型受感部较大限度地降低了插入式探针对转子出口流场的干扰,为研究多级压气机级间匹配关系探索了一种新的测量方法。      

前后可调变弯度导叶在高负荷风扇中的应用

针对某高负荷双级风扇非设计转速裕度不足的问题,通过NUMECA三维(CFD)数值模拟软件,对比分析了可变弯度导叶(VIGV)前后可偏转调节对导叶气动性能的影响,以及导叶大角度范围内变弯度调节对提高风扇中低转速性能的作用。结果表明:可变弯度导叶偏转调节后的叶型实际弯角是影响导叶气动损失的重要因素之一;通过导叶前段适当变角度调节能减小导叶的实际弯角,推迟了导叶吸力面气流分离的出现,拓宽了变弯度导叶低损失可调角度范围;同时导叶适当的前后偏转调节能够降低导叶对缝隙位置的敏感性;此外前后可调变弯度导叶能够使高负荷风扇非设计工况实现更高的绝热效率,在90%转速、80%转速、70%转速和60%转速下的风扇绝热效率分别提高了2.04%、5.48%、6.18%和6.82%;且由于风扇喘振边界进一步远离风扇阀门线,使得风扇中低转速的稳定工作范围显著拓展。      

变攻角下端壁非定常脉动抽吸对高负荷压气机叶栅性能的影响

为进一步探究非定常脉冲抽吸控制高负荷压气机叶栅流动分离的机理,考察非定常脉动抽吸在变攻角下的适应性和可行性,采用非定常数值方法,系统研究了变攻角下,非定常脉动抽吸对流场性能的影响,并将其与传统的定常抽吸进行了比较分析。结果表明,在设计攻角下,保证相同的时均抽吸量,非定常脉动抽吸控制效果明显优于定常抽吸;在时均抽吸量ms=0.4%时,在给定的激励频率范围内,非定常脉动抽吸都展现出更好的性能,在最优频率时,损失减小了9.4%,静压升提高了12.9%,相比于定常抽吸损失减小了4.2%,静压升提高了4.7%。在变攻角下,在给定的激励频率范围内,非定常脉动抽吸控制效果相比于定常抽吸仍具有较大优势;但大攻角下,非定常脉动抽吸和定常抽吸控制效果均有所下降。     

高负荷带转速差的离心串列叶轮流动机理研究

为了充分利用材料应力极限,探索高负荷离心压气机的设计方法,在常规离心叶轮的基础上,利用新的设计思路实现了带转速差的离心串列叶轮设计,采用经过校核的数值计算方法,对带转速差的离心串列叶轮压气机内部流动进行了详细数值模拟,从性能与流场细节分析了传统离心叶轮与带转速差的离心串列叶轮的差异。结果表明:相比于常规叶轮,合理布局的带转速差的离心串列叶轮在设计点整级等熵效率提高了1.96%,压比提高了0.14;激波与附面层相互作用引起的损失减小,二次流引起的"射流-尾迹"流动结构得到抑制;叶片载荷分布得到重新分配,改善了叶轮出口流场品质,降低了叶轮出口处绝对马赫数,扩压能力与无叶扩压段的总压恢复系数得到进一步提升,从而有效提高了整级压气机全工况性能。