非轴对称端壁设计的高负荷涡轮气热性能研究进展

非轴对称端壁设计因能够有效地减少涡轮叶栅的二次流损失和提高气动性能而在高负荷涡轮设计中得到应用。简要回顾了涡轮叶栅二次流模型和非轴对称端壁造型方法,重点综述了非轴对称端壁设计的高负荷涡轮气动性能研究进展和抑制端壁二次流的作用机制,介绍了非轴对称端壁设计的高负荷涡轮端壁气热耦合作用的冷却特性研究进展,总结了高负荷涡轮非轴对称端壁设计技术的应用成果,展望了非轴对称端壁设计在高负荷涡轮的高效气动和冷却布局应用方面需要深入研究的内容。     

非轴对称端壁造型对叶片端壁气热性能影响的研究

为了研究非轴对称端壁造型对典型燃气透平叶片端壁气动热力性能的影响,基于双控制型线非轴对称端壁造型方法,建立了间隙射流和主流掺混作用下非轴对称端壁气动热力性能的数值研究模型。在数值验证的基础上,研究了4种不同非轴对称端壁造型几何结构对叶栅端壁流动特性和气膜冷却性能的影响规律。结果表明,针对本文研究的大转折角透平叶片,在叶栅通道前部进行非轴对称端壁造型,会增强端壁的横向二次流,导致叶栅总压损失系数略有增大,会降低端壁的气膜有效度。而在叶栅通道后部进行非轴对称端壁造型,可以有效削弱端壁的横向二次流,减弱通道涡,从而降低叶栅的总压损失系数,同时,能够提升端壁横向平均气膜有效度高达22%,有利于提高端壁的气动热力性能。     

显著变量识别与高温叶片多学科设计优化方法

针对高温叶片气热多学科优化设计问题中设计变量过多造成的维数灾难问题,提出了基于数据挖掘技术的显著变量识别方法。采用显著变量识别方法剔除了对高温叶片Mark II气热性能影响小的设计变量,使设计变量个数从36个减少为15个。通过耦合共轭换热分析方法、三维叶片及冷却系统参数化方法以及自适应多目标差分进化算法,建立了高温叶片多学科多目标设计优化系统。基于显著变量识别方法获得的设计变量,完成了Mark II型叶片的气热性能多学科设计优化。优化获得了9个Pareto解,典型Pareto解的气热分析结果表明,优化后叶片的气热性能明显优于原始叶片,验证了基于数据挖掘技术的高温叶片多学科设计方法的有效性。     

间隙位置和几何对端壁冷却性能的影响

采用数值求解三维雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和k-ω湍流模型,研究了间隙位置和几何对燃气轮机叶片端壁冷却性能的影响。在验证数值方法正确性的基础上,研究了3种间隙位置对端壁气膜冷却性能的影响,并提出了3种渐缩梯形间隙结构,分析了渐缩间隙结构对端壁流动和冷却特性的影响。结果表明,间隙距叶片前缘距离的增大会降低叶片前缘附近马蹄涡影响区域的气膜有效度,但是,当质量流量比大于1.0%时,端壁气膜有效度分布均匀性提高。在质量流量比为0.5%时,间隙位于距叶片前缘0.1倍轴向弦长位置时,会发生主流入侵的现象。相比于原始间隙,3种渐缩梯形间隙均能够显著提高端壁气膜有效度。特别是质量流量比为1%时,3种渐缩梯形间隙使得端壁平均气膜有效度最大增大了105.36%。此外,渐缩梯形间隙还防止了在质量流量比为0.5%时,主流入侵的发生。     

基于多目标优化的透平叶栅变工况设计方法

将基于多目标优化方法的变工况设计思想引入到透平叶栅气动优化设计领域, 以能量法为基础, 提出了二维叶栅型线光顺方法和叶栅自动设计参数化方法, 在此基础上进一步结合并行多目标差分进化算法和CFD技术, 发展了叶栅变工况自动气动优化设计方法.对一个透平叶栅选择一亚声速工况和一跨声速工况进行了变工况自动气动优化设计研究.设计结果表明该设计方法能一次性获得适用于不同工况范围的多个气动性能优良的叶栅, 具有优秀的设计能力和工程实用价值.      

凹槽状叶顶涡轮叶片传热特性的数值研究

采用计算流体动力学软件ANSYS-CFX数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-ω紊流模型研究了涡轮叶片凹槽状叶顶的传热特性。数值预测的平顶部叶顶的换热系数分布与实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。计算分析了凹槽深度和肩壁厚度对凹槽状叶顶传热特性的影响,还分析了动叶与机匣相对运动下的凹槽状叶顶无气膜冷却和中弧线布置气膜冷却时的流动换热特性。研究结果表明:在肩壁厚度一定时随着凹槽深度的增加叶顶换热系数降低;在1%叶高的叶顶间隙和2%叶高的凹槽深度及4种肩壁条件下1.0mm肩壁厚度时叶顶换热系数最小。相比于动叶与机匣均静止时,动叶和机匣之间的相对运动能够增强动叶顶部的换热效果;动叶与机匣间的相对运动能够增强前缘处气膜冷却效果,总体来说动叶旋转时的离心力和哥氏力对凹槽状叶顶的气膜冷却效果影响有限。     

三角形涡发生器综合换热性能全局优化和知识挖掘

为了强化布置三角形涡发生器的U型通道综合换热性能,耦合基于子元模型的全局优化算法、三角形涡发生器参数化方法、三维RANS方程求解技术与基于总变差分析的知识挖掘技术,建立了高效的三角形涡发生器综合换热性能优化与知识挖掘方法。在验证本文数值方法正确性的基础上,以综合换热性能最优为目标函数,对布置于U型通道内的三角形涡发生器进行设计优化与知识挖掘。优化后,最优设计的三角形涡发生器诱导产生的下洗涡对的强度和间距增加,使得U型通道的综合换热性能相对提高了14.5%。同时对设计空间进行知识挖掘,筛选对综合换热性能影响显著的设计变量,分析显著变量对目标函数的影响机制。结果表明:三角形涡发生器的高度对通道换热能力和阻力损失的影响最为显著,而三角形涡发生器的宽度对通道综合换热性能的影响最为显著。     

射流角与吹风比影响涡发生器强化气膜冷却性能的实验研究

为了研究了射流角度和吹风比等关键参数对涡发生器强化气膜冷却性能的影响规律,采用热电偶测温和粒子成像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,在搭建的气膜冷却实验台上对三种不同射流角度(α=20°,30°,40°)的带涡发生器和不带涡发生器等六种结构在三种不同吹风比(M=0.5,1.0,1.5)下的壁面气膜有效度分布及中截面流场结构进行了研究。结果表明:涡发生器的引入能显著提高气膜冷却性能,面平均气膜有效度最高提升达249%;不带涡发生器结构的气膜冷却性能随吹风比及射流角增大均呈现降低趋势;20°和30°射流角情况,带涡发生器结构的气膜冷却性能随吹风比增大而逐渐增大,而对于40°射流角则反之;M=0.5情况下,带涡发生器结构的气膜冷却性能随射流角增大而略微增大,在M=1.5情况下,规律相反,而在M=1.0情况下,射流角度基本无影响。     

间隙射流对端壁冷却和传热特性影响的研究

采用数值求解三维Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)方程和k-ω湍流模型,研究了间隙射流对燃气轮机叶片端壁冷却和传热特性的影响。通过数值结果与实验数据的比较,验证了数值方法的正确性。在此基础上,研究了间隙射流质量流量比、间隙射流角度对端壁流动结构、气膜冷却性能以及传热特性的影响规律。结果表明,受到端壁二次流结构的限制,冷却气体主要集中在叶片前部吸力面侧。当间隙射流质量流量比小于1%时,会发生主流入侵现象,从而削弱前缘马蹄涡,并且会增加通道喉部区域的热负荷;随着质量流量比的增加,端壁气膜覆盖面积增大,而当射流质量流量比大于1%时,主流入侵现象消失,间隙射流将增强前缘马蹄涡,提高端壁前部的传热,并且减少端壁前部热负荷。随着间隙射流角度的增加,射流引起的分离涡增强,导致端壁前部的传热增强,而端壁气膜有效度降低,端壁热负荷增加。特别是在质量流量比为1.5%时,射流角度从30°增大到90°时,端壁平均气膜有效度减小53.4%。     

燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级气热性能研究进展

现代燃烧室由于富油燃烧-快速焠熄-贫油燃烧技术和贫油预混燃烧技术导致其出口具有非均匀温度（热斑）分布、强旋流和高湍流度的流动特征,显著影响燃烧室下游高压涡轮级的气热性能。先进高压涡轮级气热性能分析和冷却设计越发依赖于燃烧室和涡轮相互作用下交界面的气热参数非均匀分布特征。论文阐述了燃烧室和涡轮相互作用机理。介绍了燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级气热性能研究的代表性实验台和数值方法。分别综述了燃烧室和涡轮相互作用下热斑、热斑和旋流、旋流和湍流度对高压涡轮级气热性能的影响特性。给出了燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级的气热性能分析及不确定性量化的研究现状。总结了燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级气热性能的研究成果。展望了非均匀气热参数分布条件下高压涡轮级气热性能可靠性分析和鲁棒性设计需要更加深入研究的方向,为适应先进航空发动机的燃烧室和涡轮一体化设计需求提供参考。