燃气轮机压气机涡量动力学理论及分析方法

阐述了压气机涡量动力学理论及分析方法,建立了压气机总性能参数与两个重要的涡量参数(边界涡量流(BVF)和周向涡量)的直接数学物理关系,研究了基于BVF和周向涡量的分析优化方法.将该方法应用于燃气轮机多级轴流压气机中进行涡量动力学分析,从涡量角度指出了改进的方向.结果表明:周向涡量能反映近壁面的高损失区,使周向涡量峰值束缚在近壁区有利于降低端区损失,在通流设计中可通过优化环量分布控制周向涡量分布,算例中基于周向涡量优化可使跨声压气机转子效率提高1.13%;边界涡量流BVF能反映旋涡的壁面根源,通过优化BVF的分布可控制涡量壁面根源,有利于抑制旋涡和流动分离,基于BVF优化可使转子效率提高1.12%.      

亚声速轴流压气机转子轴对称机匣造型优化的数值研究

以西北工业大学某亚声速轴流压气机孤立转子为研究对象,提出了较为可靠的数值模拟方法,进而采用NUMECA软件包中DESIGN/3D软件块,在峰值效率工况下对该转子机匣进行了轴对称造型优化,最终得到优化转子.优化转子在叶片前缘将叶顶间隙泄漏涡推离叶片吸力面,虽然该结果导致前30%轴向弦长间隙泄漏涡涡量及流动损失有一定程度增大,但是在后70%轴向弦长,优化转子间隙泄漏涡的涡量与流动损失比原始转子有了很大程度降低,从而使得全局损失降低,峰值点效率提高,出口绝对总压增加.优化转子的峰值点效率提升约为0.36%,大流量点效率增加更多,但是近失速点会更早地形成叶顶低速区从而诱发失速,使得优化转子比原始转子稳定裕度略有降低.      

高负荷对转压气机尾迹涡级间迁移影响因素研究

为探究高负荷对转压气机上游转子尾迹脱落涡级间迁移的影响因素,截取高负荷对转压气机60%叶高叶型,保持叶型几何、总压比不变的前提下,分别取12%,20%,25%,30%,35%,45%下游转子弦长的轴向间隙进行了非定常数值模拟。研究发现,在每个轴向间隙下,尾迹脱落涡迁移至下游转子前缘平面的周向位置均不随时间发生变化;当轴向间隙改变时,尾迹脱落涡迁移路径随之发生变化。基于理论分析和数学推导,建立了高负荷对转压气机尾迹脱落涡级间迁移轨迹的无量纲准则关系式,并结合通流计算与激波模型,发展了预估上游转子尾迹脱落涡迁移轨迹的方法,为设计阶段考虑非定常效应提供指导。     

低雷诺数下跨声速转子周向槽处理机匣扩稳研究

采用数值方法模拟了低雷诺数条件下NASA Rotor 37跨声速压气机转子内部流场。结果表明,附面层径向涡是该压气机转子流动失稳的一个很重要的原因。周向槽处理机匣结构对压气机流场的改善较为有限,而引入抽吸处理机匣后,抽吸槽可以将叶顶间隙涡和附面层径向涡及其引发的低能阻塞流团抽吸至处理槽内,叶顶流场大为改善,有效地提高了压气机转子的失速裕度。     

进气畸变对跨声速轴流压气机气动影响的机理研究

利用插板模拟跨声速轴流压气机进口流场畸变.通过实验和数值模拟两种手段详细分析了进口畸变下跨声速压气机的流动特点、激波沿周向的分布以及压气机的失速机理.实验和数值模拟的结果表明:插板使压气机前的不同周向位置产生正、负预旋流动;转子前速度的周向分布沿轴向是不断变化的,在距离转子较近时,畸变区的轴向速度反而较大;气流在过渡区A（转子进入低压区）时为正预旋,为非激波区;在过渡区B（转子退出低压区）和畸变区时为负预旋,为强激波区;过渡区的泄漏涡最强,是不稳定流动的诱发区域.      

低雷诺数下跨声速转子流动失稳及周向槽处理机匣扩稳

采用数值方法模拟了低雷诺数条件下NASA Rotor 37跨声速压气机转子内部流场。结果表明,附面层径向涡是该压气机转子流动失稳的一个很重要的原因。根据该压气机转子低雷诺数条件下流动失稳的特点,研究了周向槽处理机匣结构对其性能的影响。结果表明,引入处理机匣后,附面层径向涡得到一定程度的抑制,由附面层径向涡所引发的叶顶阻塞区有所减小,提高了压气机转子的失速裕度。     

低雷诺数下跨声速转子流动失稳及附面层抽吸扩稳研究

采用数值方法模拟了低雷诺数条件下NASA Rotor 37跨声速压气机转子内部流场.结果表明,附面层径向涡是该压气机转子流动失稳的一个很重要的原因.通过在该压气机转子叶片吸力面上不同的叶高和轴向弦长处进行抽吸,发现都可以很好的抑制附面层径向涡的发展,压气机转子的稳定工作范围明显扩大.此外还比较了不同的抽吸量对压气机的性能的影响.      

单转子轴流压气机涡动力学失稳机理研究

为了研究单转子轴流压气机的涡动力学失稳机理,采用基于Shear Stress Transport(SST)湍流模型的尺度自适应雷诺平均/大涡(RANS/LES)混合模拟的方法对低速单转子轴流压气机进行了非定常数值模拟。研究结果表明:在设计转速3kr/min条件下,叶顶泄漏涡、二次泄漏涡以及诱导涡破碎引起的叶顶区域的堵塞是触发单转子轴流压气机内部流动失稳的主要因素。压气机由近堵塞工况点向小流量工况点逼近的过程中,叶顶泄漏涡轨迹与轴向的夹角由70°增加到76°,二次泄漏涡起始点位置前移加速叶顶泄漏涡向转子前缘移动。近失速工况点叶顶泄漏涡的轴向动量与主流的轴向动量之间存在一种平衡,叶顶泄漏涡稳定在转子前缘。压气机进一步节流主流的轴向动量减小,对叶顶泄漏涡轴向动量的抑制能力减弱,叶顶泄漏涡的位置不再稳定,诱发尖脉冲型失速先兆。     

周向槽机匣处理对跨声速轴流压气机影响分析

设计了一种周向槽机匣处理结构,并利用全三维定常数值模拟方法,研究了该机匣处理结构对某跨声速轴流压气机转子性能和流场的影响。结果表明,数值模拟结果与实验结果符合良好,该周向槽处理机匣使压气机转子的失速点流量减小了11．5％．有效地扩大了其稳定工作范围,但是同时也使得其峰值效率下降了0．82％。对压气机转子内部流场的分析表明,周向槽处理机匣扩稳的主要机理在于其对叶尖间隙泄漏涡与激波干扰后形成的低速流团的抑制,以及对叶片吸力面附面层径向涡在机匣面堆积形成的低速流团的吸除。     

整体涡对跨声速单转子性能和稳定性影响

为研究整体涡影响轴流压气机性能和稳定性的机理,设计了一种叶片式旋流发生器,并对旋流发生器和跨声速单转子进行了联合数值模拟研究.计算结果表明:反向整体涡导致堵塞点流量、进口攻角和总压比增加,效率和稳定工作范围降低;同向整体涡导致堵塞点流量、进口攻角、总压比和稳定工作范围减小,效率增加;反向整体涡导致50%叶高以上吸力面附面层分离以及叶尖泄漏流堵塞加剧是压气机失稳的主要原因.      

基于优化算法的压气机叶片气动设计

将数值最优化方法与叶轮机械正问题流场计算相结合,实现对风扇/压气机叶片积叠线、子午面流道和沿径向弦长分布组合的优化设计,数值最优化采用基于局域网的并行遗传算法.运用该软件对NASArotor67风扇转子进行重新设计,设计目标为设计点压比和流量不变、效率最高以及堵点流量不变.与原风扇转子比较,稳定工作流量范围略增大并且在整个工作流量范围内优化转子压比近于不变、效率提高约0.5个百分点.      

跨声压气机动叶周向弯曲的数值优化设计

开发了求解雷诺平均N-S方程的三维流场模拟程序及数值优化程序,对流场求解程序进行了实验验证,并对跨声压气机动叶积叠线周向弯曲进行优化设计。优化结果表明压气机动叶弯曲可以有效地改变流场内的三维激波结构,削弱尾迹损失。绝热效率提高约0.59%。并且改善了压气机变工况性能。      

BVF诊断在非定常转静匹配中的应用

对一台高负荷跨声速单级风扇进行了非定常数值模拟.并将BVF(boundary vorticity flux, 边界涡量流)诊断方法应用于非定常条件下的转静干涉研究中.结果表明BVF不仅能够清晰地捕捉到转静干涉对流场的影响, 指出转子叶排的尾迹干扰是引发下游叶排通道流场非定常特性的最主要因素, 还能够根据叶片表面出现的一些细节, 结合静压、熵等分析方法, 找出动叶的叶尖和静叶的叶根在转静匹配中存在的问题.表明BVF诊断方法能够反映出转静匹配的状态好坏, 并指出改进设计的方向, 是一种能够有效找出对流场产生负面影响的根源, 并指出削弱甚至消除这些负面影响办法的新型诊断方法.      

Applications of numerical optimization techniques to design of axial compressor blades

This paper describes the shape optimization of NASA rotor 37 and rotor and stator blades in a single-stage transonic axial compressor.Shape optimization of the blades operating at the design flow condition has been performed using the response surface method and three-dimensional Navier-Stokes analysis.Thin-layer approximation is introduced to the Navier-Stokes equations,and an explicit Runge-Kutta scheme is used to solve the governing equations.The three design variables,blade sweep,lean and skew,are introduced to optimize the three-dimensional stacking line of the blades.The objective function of the shape optimization is an adiabatic efficiency.Throughout the optimization of rotor and stator blades, optimal blade shape can be obtained.It is noted the increase of adiabatic efficiency by optimization of the blade shape with the stacking line in the single-stage transonic axial compressor is more effective in a rotor blade rather than a stator blade because of the large deformation of blade shape in the stator blade.      

旋翼VPM/CFD耦合模型的建立及其在小前进比气动分析中的应用

为了提高旋翼计算流体力学（CFD）流场计算效率及克服其在尾迹捕捉上的不足,将旋翼黏性涡粒子方法（VPM）与CFD分析相结合,建立了一个新的旋翼VPM/CFD耦合气动分析模型。在该模型中,采用VPM分析以实现对旋翼尾迹中黏性涡的高效捕捉而不引入数值耗散,而采用CFD分析用于精确地模拟旋翼桨叶近体区域内复杂的流动现象,同时也为VPM分析提供一个较高精度的涡源模型。至于两者信息交换,则使用集中涡源法将CFD信息传递至VPM分析,而VPM计算得到的尾迹信息则通过边界修正施加至CFD域的远场边界上,从而可以鲁棒地实现CFD域与VPM域的耦合计算。在此基础上,对“Helishape 7A旋翼”小前进比前飞桨-涡干扰（BVI）状态进行了较为深入的气动分析,计算结果表明：与全CFD计算比较,建立的VPM/CFD耦合分析模型可以有效地避免旋翼尾迹区桨尖涡的数值耗散,从而更加可靠地捕捉桨-涡干扰状态下的桨叶非定常气动载荷脉动,同时对于本文算例,计算效率可以提高30%以上。     

带周向槽机匣处理的压气机内部流动数值模拟与试验

采用试验和数值模拟的方法研究了周向槽机匣处理对轴流压气机性能以及内部流场的影响。在单级轴流压气机试验台上对实壁机匣和周向槽机匣结构进行了详细的实验测试。同时,对每一种机匣结构的内部流场进行了全三维数值模拟,数值模拟结果与试验结果符合良好,相比于实壁机匣,试验以及数值模拟结果均表明周向槽机匣处理结构能够扩大压气机的稳定工作裕度,而对效率的影响不大。对内部流场的详细分析表明周向槽处理机匣对叶顶间隙泄漏涡形成和发展的抑制是周向槽机匣处理扩稳的主要原因。      

跨声速轴流压气机叶片周向弯曲的数值优化

采用优化软件ISIGHT作为平台,集成了三维粘性流计算软件NUMECA和轴流压气机叶片造型程序,建立了一套叶轮机械气动性能优化系统.针对跨声速轴流压气机动叶和静叶的周向弯曲进行了优化.结果在整条特性线上,该级压气机的效率和压比都得到了不同程度的提高,充分验证了该叶轮机械气动性能优化系统的可靠性.同时表明转子的尖部反弯可以有效地减小叶尖间隙的横向流动.      

基于遗传算法与响应面模型的压气机叶片气动优化设计

1引言由于叶轮机械内部复杂的三维流动,各种波涡结构的广泛存在,吸引了众多学者对其进行了积极的探索与研究。CFD作为可靠省时的设计手段之一,在叶轮机械气动设计的过程中显示了其卓越的性能[1~3]。June Chung和Lee K i D[4]采用基于梯度法的优化程序,以绝热效率为目标函数对NA