气热耦合条件下涡轮静叶三维优化

为解决涡轮静叶尾缘烧蚀问题并提升气动效率,采用气热耦合优化的方法对该叶片进行优化,优化分为对叶型优化以及对弯叶片优化两部分。优化结果显示,对叶型进行优化时由于叶型变化以及冷气流量增加2.68%导致叶片平均温度降低4.15%,最高温度下降61.7K,气动效率提升0.17%;对弯叶片进行优化时,顶部正弯效果明显,冷气流量增加0.11%,叶片平均温度下降2.4%,最高温度下降10.6K,气动效率提升0.16%。通过分析,对于该径高比较小的叶片,无论是叶型变化还是弯叶片变化,低能流体由端区进入主流导致的端区损失降低和激波损失的降低是导致气动效率提升的主要原因;冷气流量加大以及端区二次流减弱是造成叶片温度场降低的主要原因。     

考虑气膜冷却的涡轮静叶三维优化

为研究气冷涡轮叶片设计的特点,搭建了一个可以对采用气膜冷却的气冷涡轮叶片进行全三维优化的平台,该平台可在有冷气喷射的条件下对叶片进行多目标优化.优化平台中采用11参数法对叶片进行造型.针对该造型方法和优化设计的要求对优化变量的选取和优化策略以及优化目标的设定进行了一定的探讨,采用多岛遗传算法对优化问题进行寻优.采用该平台对某航空涡轮第一级静叶进行了优化.由于对不同目标进行了加权处理,所以随着优化目标侧重点的不同,优化方案的叶型呈现出不同特点,其气动效率和冷却效果均有所改善.     

吸力面不同吹风比切向冷气喷射对跨声速涡轮叶栅气动性能的影响

为进一步探究跨声速涡轮中吸力面切向冷气喷射对叶栅气动性能及气膜冷却效果的影响,以跨声速涡轮叶栅作为研究对象,采用数值模拟方法,通过在叶片吸力面不同位置开设切向冷气喷射槽,进行不同吹风比下的冷气喷射,对跨声速气冷涡轮叶栅的总体性能以及流场细节进行了详细研究。研究结果表明,吸力面切向冷气喷射有利于减小跨声速涡轮叶栅激波损失,叶栅最大马赫数可减小0.104;切向冷气喷射槽位于尾缘内伸激波反射点上游,且吹风比处于0.75～1.00内时,叶栅能量损失最小;吹风比的增大有利于减小甚至消除冷气槽内分离泡,并能够减小唇部激波强度。     

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.     

多级涡轮气动设计与优化的研究

为明确多级涡轮的设计方法与流程,缩短设计周期与减少设计过程中的盲目性,采用分层优化设计体系对某五级涡轮进行详细的气动设计,对设计体系中各部分的作用和设计方法及手段进行了一定的探索。根据分层优化设计体系规范,首先方案设计,即一维与S2设计,掌握该涡轮的设计特点。方案设计完成后,根据方案设计中确定的部分参数,最终采用以三维设计为主,综合考虑总体参数和沿叶高参数分布的设计思路,设计过程中应用了优化的方法对部分参数进行了优化设计,三维设计完成后对该涡轮进行了简单的非定常校核,并且计算了特性线,验证了其变工况性能。计算结果表明所设计的五级涡轮基本达到了设计要求。     

跨声速涡轮静叶尾缘激波对动叶前缘气膜冷却效果影响的研究

为进一步探究跨声速涡轮中非定常激波对气膜冷却效果的影响,以跨声速涡轮级叶型作为研究对象,采用非定常数值模拟方法,通过在动叶前缘不同弦向位置进行冷气喷射,探讨了静叶尾缘外伸激波的扫掠对动叶前缘气膜冷却效率的影响。研究结果表明,静叶尾缘外伸波接触到动叶前缘时会导致接触点下游气膜冷却效率降低;冷气喷射孔距离前缘越近,每周期内受上游静叶尾缘外伸波影响时间越长,受影响时长在10%~20%周期之间;不同方案中气膜孔下游相同距离位置上,时均冷却效率相差最大可达89.5%。     

不同激励形式对脉动气膜冷却特性影响的数值研究

为了探究不同激励形式对脉动气膜冷却特性的影响,在35°倾角平板射流模型中,采用非定常数值模拟方法进行相关研究。挑选常用的方波和正弦波作为冷气激励,无量纲激励频率斯特劳哈尔数St=0.019,0.047,0.093,0.263,0.441,重点对冷气附着和高温主流入侵现象进行了对比研究。结果表明:正弦激励下的冷气对壁面有更强的附着和更高的冷却效率;方波激励下的冷气穿透能力较强但对壁面附着相对较弱。此外,方波激励下存在主流入侵,会烧蚀气膜孔及局部壁面;而正弦激励使得冷气连续变化,能明显抑制主流入侵。更进一步,提高脉动周期内的最低吹风比不是抑制主流入侵的最佳方式,因为主流入侵主要是因为冷气量变化过于剧烈。针对正弦激励,冷气的无量纲激励频率St0.263后也会导致主流入侵。考虑冷却效果和避免主流入侵,建议在实际应用中选用较低频连续波形作为激励。