涡轮叶片二维冷却结构参数化设计技术研究

研究了涡轮叶片二维冷却结构的参数化设计技术。采用参数控制点方法实现冷却叶片壁面的变厚度设计,采用隔肋数量、位置参数、偏转角度实现任意数量和形式的冷却腔造型,根据前缘缩进参数确定冷却通道前缘切线弧位置,通过尾缘切割参数实现半劈缝和全劈缝尾缘结构设计。结合叶片外形造型技术开发了造型设计程序,该程序可建立包含任意形式冷却通道和常用尾缘结构的变壁厚二维冷却叶片模型。     

航空发动机涡轮动叶设计平台的构建与验证

针对航空发动机涡轮叶片的设计流程,开发了涡轮动叶的设计平台。基于气动热力学方法建立了1维性能设计模块;并在研究平面叶栅造型设计方法的基础上,建立了2维气动分析模块,可以实现2维叶型气动性能的快速分析;在实心/冷却叶片参数化设计的基础上,引入多学科可行方法,建立了实心/冷却叶片设计和多学科优化模块。利用所开发的设计平台进行了某型冷却叶片的多学科设计优化,有效提高了该叶片的综合性能,验证了平台的有效性。     

涡轮冷却叶片参数化建模及多学科设计优化

建立了一个涉及结构、气动、传热、振动、强度和寿命等学科的涡轮冷却叶片多学科设计优化系统, 进行了单孔薄壁冷却叶片的多学科设计优化.提出了单孔薄壁冷却叶片的参数化造型方法, 叶片叶型采用5次多项式构造, 气动与传热为三维耦合分析;叶片体积平均温度与最高温度为优化目标, 强度、振动和寿命等学科相关参数为约束, 模拟退火与序列二次规划组合算法进行叶片参数空间寻优, 在保持冷却气体流量不变的条件下, 优化提高了冷却效果, 降低了叶片材料的性能要求.      

基于收扩叶型的涡轮叶片参数化造型方法与分析

研究了适用于对转涡轮的一种十二参数法涡轮叶型造型方法的原理、步骤、特点,采用Fortran程序编写了在参数化造型基础上的涡轮造型设计程序.应用该程序设计完成一级对转涡轮高压级涡轮叶片.并对其进行三维CFD性能验算,结果表明该设计程序能够应用于对转涡轮所需的收敛-扩散叶型的造型,为收扩叶型的造型提供了一种工程上可行的方法.     

基于参数化脊线的非轴对称端壁成型方法

为提高低展弦比涡轮叶片气动与换热性能,抑制叶栅二次损失并降低端壁换热水平,提出了一种基于参数化脊线的非轴对称端壁成型方法。非轴对称端壁参数化成型基于位于叶片压力侧的脊线及周向余弦曲线构成,预先保证了端壁压力侧较高、吸力侧较低的基本形状。以涡轮叶栅出口测量截面质量平均二次动能系数最小及端壁面积平均换热系数最小为优化目标,采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法进行气动与换热优化,得到非轴对称端壁造型。优化结果表明:与平端壁相比,非轴对称端壁涡轮叶栅出口测量截面的质量平均二次动能系数降低了27%,端壁面积平均换热系数降低了6.9%。非轴对称端壁造型通过平衡叶片间横向压力梯度,改变了马蹄涡与通道涡位置,通道涡和壁涡强度得到抑制,有效降低了涡轮叶栅二次损失及端壁换热。     

涡轮叶片冷却设计优化方法研究

针对某型发动机高压涡轮工作叶片,采用试验设计方法,通过对内腔边界条件的主效应分析,对涡轮叶片截面温度分布进行优化。同时,对影响叶片内腔不同流动与换热类型的冷却结构元件换热系数的几何参数进行敏度分析。最后通过综合优化,获得在原设计基础上的优化结果。结果表明,该方法可以把原设计的截面最大温差有效降低。另外,通过对涡轮叶片冷却设计优化方法的探索,还获得了影响叶片冷却设计结果的参数关系曲线,该方法及结果可在涡轮叶片冷却设计时参考使用。     

基于MDO体系的涡轮叶片热-结构耦合分析

在涡轮叶片参数化建模和气动分析基础上,开发了三维坐标插值程序,实现了学科间载荷信息传递;基于经验准则公式,开发了换热系数计算程序;在研究ANSYS软件参数化设计语言的基础上,利用插值及换热程序输出APDL参数化加载宏文件,实现了边界条件的精确加载;基于ANSYS软件APDL命令流,设计了涡轮叶片热分析模块及热-结构耦合分析模块,为建立涡轮叶片MDO体系奠定了基础。     

大扩张通道超音高载荷对转涡轮动叶三维设计方法研究

 为设计一种SRR结构具有大扩张通道的超音高载荷对转涡轮高压动叶，论文提出了一种更符合三维真实流动状态的S1流面三维造型法，详细阐述了三维造型方法基本原理，并用之设计了一个出口马赫数1.33，通道扩张角37.3°的超音高载荷对转涡轮动叶。三维数值模拟结果显示对转涡轮动叶流场参数分布合理，没有出现分离，滞止效率达到92.57%。实例表明三维造型法由于充分考虑涡轮流场三维性，对于通道扩张度大，流线曲率变化剧烈的涡轮叶片，比传统二维柱面造型法更精确、更实效。     

基于涡轮叶栅数据库的叶片设计系统开发与应用

涡轮叶栅数据库的建设和应用,可为航空发动机设计体系中的叶片造型设计提供支持。本文介绍了包含涡轮叶栅设计参数和损失特性的数据库的建设方法及应用,并基于该数据库,开发了叶片设计系统。该系统能实时计算出损失特性曲线支持造型设计,具有叶型设计质量评测、参数优化及参数选择推荐等实用功能。经试验数据验证及算例校核,初步验证了其准确性和易用性。     

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。     

带肋变截面回转通道内沿程有效压力分布特性的实验研究

以某型航空发动机的实际涡轮叶片内部的带肋变截面180°回转通道为研究对象,以实验的方法分别研究了带90°直肋和带60°斜肋的通道内的流体流动的特性。根据研究问题的特点,定义了壁面有效压力及局部有效压力系数,并得到了其沿程分布及两种通道内有效压力系数的经验公式。实验发现,对于带90°直肋和带60°斜肋的矩形回转通道沿程有效压力的分布趋势基本一致,由于流道截面积的不规则变化,导致有效压力有沿程逆增现象。      

某双级高压涡轮全三维计算

采用自主研发的全三维黏性涡轮设计体系对某双级高压涡轮进行了反设计,并利用商业软件CFX12.0在采用二方程湍流模型SST(shear stress transportation)模型、考虑冷气和转捩等条件下对反设计得到的叶型进行了全三维计算分析,采用源项模拟技术处理气膜冷却流动.计算结果与试验数据进行了对比,结果表明计算得到的效率与试验值吻合,中等负荷高压涡轮气冷叶型采用后部加载设计技术可有效控制流动损失.      

涡轮冷却叶片热-固耦合分析与优化设计

根据涡轮冷却叶片热-固耦合分析和基于遗传算法-有限元的涡轮叶片优化设计方法,发展了涡轮冷却叶片热-固一体化优化设计方法.以某航空发动机涡轮转子叶片为原型,分析了冷却孔的位置、形状(圆形和四边形)、大小和数量对热应力与冷却效果的影响.结果表明,该方法能有效地降低涡轮叶片的应力、改善其冷却效果;四边形孔具有更好的冷却效果和更低的最大应力;随着冷却孔大小和数量的增加,最高温度下降,而最大应力上升.      

基于光纤复合测量技术的涡轮叶片气膜孔检测

为了解决航空发动机涡轮叶片气膜孔几何特征参数有效检测手段缺乏、测量结果一致性差的问题,设计并搭建了基于光纤复合测量技术的涡轮叶片气膜孔检测系统,提出了利用该系统对涡轮叶片气膜孔进行测量的方法,通过试验进行了方法验证。搭建的系统为多传感器测量系统,具备叶片接触与非接触测量、空间姿态定位及3D投影能力,实现了涡轮叶片全范围气模孔的测量。在试验中,选取高压涡轮叶片作为被测物体,应用该测量系统对叶片上的气膜孔进行了测量,计算得到了气膜孔直径、轴线角度及位置度的准确信息。结果表明：通过测量不确定度的分析评定可知,该系统对气膜孔直径、位置度的测量不确定度均小于0.01 mm,完全满足设计公差对测量仪器的精度要求,可以用于涡轮叶片气膜孔工程化测量。     

肋条结构对气膜冷却凹槽叶尖流动换热的影响

为有效抑制涡轮转子叶尖泄漏并改善叶尖热负荷,采用数值模拟的方法,对5种叶尖肋条结构的高压涡轮带气膜冷却突肩叶片流场进行计算,评估了不同叶尖肋条结构的气热性能。结果表明：在叶尖增加肋条结构能够有效调控叶尖空腔涡、刮擦涡、肋后涡和冷气肾形涡的路径,从而起到减小叶尖高表面传热系数区,提高叶尖平均气膜冷却效率的作用,同时有效降低了叶片压力侧前缘进入的泄漏流量,使得总压损失系数下降。凹槽尾缘压力侧半肋条结构具有最佳的气热性能,对泄漏流的阻碍作用最好,与无肋条情况相比,其叶尖平均表面传热系数降低了20.1%;平均气膜冷却效率提升了24.3%。     

横肋变截面回转通道不同肋高的流阻特性

以某型航空发动机的实际涡轮叶片内部的带肋变截面180°回转通道为研究对象,采用实验方法研究了4种不同肋高的流阻规律,并做了比较。实验模型中,矩形肋对称布置在上下两个面,肋间距为15mm,肋宽为2mm,肋与流体流向夹角为90°。定义了沿程有效压力系数,并得到了其沿程分布。实验表明,对于带90°直肋不同肋高的矩形回转通道沿程有效压力的分布趋势基本一致,由于流道截面积的不规则变化,导致有效压力有沿程逆增现象。试验还发现高径比越大的其阻力系数越大,即沿程的阻力越大。      

涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔换热特性

根据发动机涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔冷却通道结构建立了简化的传热分析模型.首先通过无量纲分析得到了竹节孔的平均努塞尔数不仅与雷诺数和普朗特数有关,还与"竹节"形状、通道外壁形状以及流体和固体的导热系数比等参数有关.然后,对雷诺数和冷却通道几何参数对竹节孔平均努塞尔数的影响进行了数值模拟研究,计算并对比了上述参数对平均努塞尔数的影响规律,结果表明:①"竹节"结构使平均努塞尔数显著增大,而通道外壁形状主要影响了局部热流密度和局部努塞尔数的分布情况;②随着"竹节"的节高/孔径比的增加,平均努塞尔数单调增大,阻力系数也随之增大;③可通过增大雷诺数和优化节距/节高比来提高竹节孔的平均努塞尔数,计算表明最佳节距/节高比约为10.      

NURBS曲线及节点插入算法在透平叶片优化设计中的应用

将NURBS曲线及节点插入算法应用到透平叶栅的二维参数化造型,可以兼顾造型参数的实际物理意义和型线调节的灵活性;将控制点可调的NURBS曲线应用到三维叶片积叠线造型,能够构造任意形状的弯、扭、掠叶片。在此基础上搭建的透平叶片三维气动优化平台,将参数化造型、网格自动划分、CFD并行求解集成在一起,应用实验设计和响应面分析方法进行多目标寻优。对某单级实验透平分别进行单排叶片和整级优化后,单排叶片总压损失降低了0.57%;单级绝热效率提高了0.8%。     

具有前缘凹陷特征的新型气冷涡轮叶型研究

本文提出了一种具有前缘自锁涡的新型气冷涡轮叶型。对新叶型流场进行了跨音速情况下的详细数值研究。观察了由前缘冷气喷射所形成的冷气旋涡沿叶型表面的变化。将新叶型的冷却效率、能量损失、压力场等与传统气冷涡轮叶型进行了对比。结果表明，新气冷叶型能够把由前缘冷气喷射形成的冷气旋涡锁定在其凹陷部位。冷气与主流的掺混损失减小。因此，前缘冷气喷射孔的列数可以减少。相应地，冷气喷射量可以减少。