燃气涡轮机气冷涡轮气动设计体系设计思想及其应用

由于燃气涡轮机的发展,作为燃气涡轮机最重要的部件气冷涡轮,其负荷与涡轮前温度不断提高,为适应这一发展,气冷涡轮气动设计体系与设计思想均有了新的发展。本文的目的就是从三个方面分析与介绍这一发展内涵。第一部分,重点介绍气冷涡轮气动设计体系的发展、介绍主要程序的特点与分层优化设计过程。第二部分,重点介绍应用平均方程在计算气冷涡轮气动问题时,如何提高计算的可靠性与计算精度。第三部分,重点介绍气冷涡轮三维气动设计思想。

获得综合优化流型的叶片成型发法和设计方法

一、引言 透平通流部分每一次重大改进实质都是一种流型的更变。我们称透平通流部分气动设计几个发展阶段所对应的流型是:直叶片流型,简单扭曲流型,可控子午型面流型,可控涡流型,叶片可控弯曲流型。后三个流型是现代叶轮机气动设计的基本出发点,三种流型每个流型都有自己的长处和弱点,单一采用一种流型进行气动设计是不会令人满意的。为改善单一流型的气动性能,应综合考虑各种流型的优缺点。

航空发动机数值仿真试验台建立中几个关键技术问题的讨论

本文主要讨论航空发动机数值仿真试验台建立中几个关键技术问题 :发动机数值仿真试验台建立的目标与基本要求 ;发动机三维多功能数值仿真数学模型、精度可靠性与并行算法 ;部件与发动机数值仿真试验台集成软件包 ;发动机仿真软件平台的框架 ;发动机三维数值仿真硬件系统。只有系统解决上述六个问题才能顺利建立这一仿真试验台。

涡轮发动机三维多场耦合数值仿真的数学模型

给出了用于发动机多场耦合数值仿真的统一的数学模型,这一模型由于采用了广义控制体系,在用来求解非定常气、热、弹耦合的变域差分问题时很方便. 讨论了统一的数学模型在不同场的演化,分析了多场耦合的4种类型及发动机多种层次的物理模型与数学模型.

弯扭掠三维叶片综合流型与流场结构优化的设计思想及应用——弯扭掠叶片设计体系与设计思想研究之二

重点研究了弯扭掠三维叶片的设计思想与应用,讨论了弯、扭、掠之间和弯、扭、掠与回转面之间互相匹配的原则。透平级的气动设计是多参数、多流型的综合优化的过程,在三维叶片设计中,必须认真研究弯。扭、掠、转与回转面之间的关系,认真研究流场结构的优化。讨论了l/b比较小的跨声速高压燃气涡轮静叶采用弯掠的匹配的规律,并介绍了扭掠叶片的设计体系与设计思想的应用。

具有弯扭掠叶片流场结构分析能力的燃气涡轮三维设计体系——弯扭掠叶片设计体系与设计思想研究之一

通过将结构分析与优化引申到气动设计中,建立了具有弯、扭、掠叶片流场结构分析能力的燃气涡轮气动设计体系,并将这一体系进一步划分为四个子体系。介绍了各子体系的构成与功能,并在流场结构分析与优化子体系中给出了流场结构三个层次的分析框架。

具有TVD性质的三阶精度GODUNOV格式在粘性流场计算中的应用

本文发展了一种具有TVD性质的三阶精度的Godunov格式。隐式部分采用迎风对角线形隐式近似因式分解法。并引入了粘性通量的简化算法。显式部分采用三阶精度TVD格式。为进一步增强格式的稳定性及对间断的捕捉能力，在单元边界上构造Riemann问题。应用上述方法对某型涡轮高压级及压气机进行了数值模拟。

高压燃气涡轮径向内冷叶片气热耦合的数值分析

采用气热耦合方法对采用径向内冷方式的MarkII型跨声速高压燃气涡轮金属导叶进行数值模拟,通过分析叶片通道内的传热和流动过程发现叶片表面附面层内流动非常复杂,包含层流流动、转捩和湍流流动状态,所以只有使用转捩模型计算的叶片附面层内流动与实际情况相符,叶片壁面温度和换热系数分布与实验结果吻合的较好,使用其他湍流模型由于不能准确描述附面层内流动而使得计算结果误差相对较大,但是所有的湍流模型都能很好的模拟附面层以外流动.

Aerodynamic Design and Analysis of a Low-reaction Axial Compressor Stage

There is introduced a new low-reaction, highly-loaded axial compressor design concept which is coupled with boundary layer suction method. The characteristic features of the concept are made clear through its comparison with the MIT boundary layer suction compressor. Also are pointed out the potential applications of this concept as well as its key technological problems. Based on this concept, a single-stage, low-reaction and low-speed axial compressor is constructed in association with analysis and computation of boundary layer suction on vanes with the aid of a three-dimensional numerical approach. The results attest to the effectiveness of this way to control separation in blade cascades by the boundary layer suction and the feasibility of this proposed design concept.

非线性连续损伤模型在汽轮机转子低周疲劳分析中的应用

针对当前汽轮机转子低周疲劳寿命估算存在较大误差的问题 ,引进了非线性连续损伤力学模型进行汽轮机转子的低周疲劳损伤分析。首先对国产 6 0 0MW汽轮机高压转子在冷启动和滑参数停机等典型工况下的瞬态温度场和热应力场进行了弹塑性有限元分析 ,进而对热应力引起的低周疲劳损伤进行了估算 ,疲劳损伤的估算分别采用了非线性连续损伤力学模型和目前工程上广泛采用的线性损伤累积理论。2种方法的估算结果表明 :由于线性累积损伤理论是基于单轴假定之下 ,没有考虑多轴应力的影响 ,在寿命预测时 ,高估了转子的寿命 ;而非线性连续损伤力学模型不仅考虑了多轴复杂应力的影响而且正确地反映了低周疲劳损伤的非线性累积过程 ,其分析结果更接近实际。

动静叶干扰下跨声压气机级性能与叶片型面静压研究

采用数值方法对某型高负荷跨声速压气机在工作点的非定常流场进行了模拟,对级内动静叶的气动干扰进行了深入分析.通过总压比和等熵效率分析了级性能总参数的非定常性,结合静压系数分析了叶片型面静压的分布及其非定常波动性,研究了尾迹和势流干扰对叶片型面静压非定常波动的影响规律.结果表明气动干扰对级内动静叶片有不同的影响,研究结果增加了对高负荷跨声速压气机内动静叶非定常气动干扰的认识.

某型燃机涡轮过渡段流场优化设计

通过对某型燃机涡轮过渡段流场的优化设计提高了其气动性能。同时针对于这类带有导流支板的涡轮过渡段的优化设计总结出了如下规律:过渡段导流支板的转折角宜小不宜大;其安装角度应尽量接近轴向;过渡段子午流道形状及导流支板的外型要相互配合以满足亚音速扩压流道的要求,而这种逐渐扩压流道的气动性能最佳。

壁面吸气抑制分离减少流动损失的研究

研究了斜流压气机具有大尺度分离的导向叶栅内的流场结构;通过对壁面不同吸气位置与吸气量对流场结构及损失的影响分析,并借助于拓扑分析的手段,探讨了针对于大尺度分离结构条件下吸气点位置的选择原则,总结出了端壁与吸力面吸气位置与分离结构之间的对应关系。

涡轮叶栅气热耦合数值模拟

本文建立了透平机械叶栅流场与叶片温度场的气热耦合计算模型,编制了三维非正交曲线坐标系下的温度场求解程序,计算了实心及空心叶片的温度场分布。介绍了区域分解方法在耦合计算及并行计算中的应用,以矩形区域温度场求解程序为例研究了程序的并行化,最后进仃了叶栅流场计算与叶片导热计算程序的分区耦合计算。

涡轮级三维粘性流场的数值模拟

本文给出了一种求解涡轮级三维定常粘性流场的计算方法，并对某型航空发动机的高压涡轮进行了数值模拟。该计算程序考虑到了涡轮级工作温度范围较大而引起的变比热问题。文中采用了三阶精度的ＴＶＤ格式和Ｂ－Ｌ湍流模型。叶列间参数的传递采用了“混合平面”法。叶列间处理采用外推无反射边界条件来保证参数在交接面上的周向不均匀。同时在交接面上构造了Ｒｉｅｍａｎｎ解和使用松弛因子来提高程序在叶列间小间隙情况下的稳定性。

高温蠕变分析的非线性连续损伤力学模型

采用非线性连续损伤力学模型对某发动机涡轮轮盘在典型任务工况下的蠕变损伤和寿命进行分析 ,并同当前普遍使用的累积损伤理论进行比较 ,指出了累积损伤理论存在的问题。分析结果表明 ,连续损伤模型能更合理地描述材料蠕变损伤的累积发展过程。

多级涡轮三维气动优化设计的可行性分析与实现

多级涡轮三维气动优化设计由于计算量大、计算时间长、变量样本空间过于庞大,在实践中往往设计周期长,且难以有效实现。随着计算机硬件和计算软件的发展,计算能力已经大为改善,多种设计方法亦实现了有效融合。大力开展多级涡轮三维气动优化设计研究,将传统设计方法与现代自动优化设计方法相结合是解决前述困难,实现多级涡轮优化设计的一个有效途径。文中分析了将准三维设计和多级局部优化联合实现多级涡轮三维设计的可行性,给出了一个多级涡轮气动优化设计流程。准三维设计主要是S2流面正问题计算,通过准三维设计进行初步设计,初步提高性能,确定总体参数,为下一步的优化设计打下基础。然后采用多级局部优化设计,多级局部优化过程使用Numeca/design 3D软件,优化联合采用人工神经网络和遗传算法,通过提高局部性能来提高总体性能。流场计算采用全三维粘性流N-S方程求解,并以一个3级涡轮和一个4级涡轮为例,说明此方法的可行性。

发动机叶片流道内辐射换热的数值计算

应用贴体坐标系下辐射传递方程的离散坐标法 ,数值模拟了三维叶片流道内的辐射换热 ,计算了进口燃气总温分别为 16 73K和 2 193K时 ,发动机叶片流道内燃气对发动机机匣、轮毂和叶片的入射辐射热流密度。数值模拟表明 ,当进口燃气总温增加 2 9 9%时 ,入射辐射热流密度将增加 188%～ 2 12 % ,与直角坐标系下有限体积法的计算结果比较 。

尾喷管内部及其射流流场的数值模拟

通过求解三维 N- S方程 ,对某型发动机尾喷管在亚临界及超临界状态下的性能进行了数值模拟 ,尤其对喷管射流流场及其对喷管内部流动的影响进行了研究。差分格式采用具有 TVD性质的三阶精度的 Godunov格式 ,射流场及内部流场间采用分区算法。数值试验表明 。

涡轮叶片气热耦合数值模拟方法

研究了气热耦合计算模型,建立了采用有限差分方法进行涡轮气热耦合计算的数值仿真平台,并利用该平台采用考虑转捩和不考虑转捩两类湍流模型对具有径向冷却通道的MARK II型叶片进行数值模拟,同时将结果与实验值进行比较,对比表明:考虑转捩的湍流模型能够准确的反映出边界层内的流态和热传导情况,因此壁面处温度和换热系数更接近于实验值,与实验值吻合较好。