小展弦比叶栅非轴对称端壁造型及气动性能的数值研究

提出了基于双控制型线的非轴对称端壁造型新方法,并在某小展弦比叶栅的上下端壁上完成了非轴对称端壁造型设计.采用数值求解Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和考虑转捩模型的SST湍流模型对轴对称端壁原始叶栅和非轴对称端壁叶栅进行了详细的流场特性分析,结果表明:所提方法可以有效减少进入叶栅通道涡的低能流体,从而抑制了通道涡的发展,减少了二次流损失.由于叶栅展弦比较小,所以非轴对称端壁会影响到整个流场,使得出口气流角在整个叶高范围内有所增大,中叶展处叶片负荷下降,型面损失减少.与轴对称端壁原始叶栅相比,非轴对称端壁叶栅效率提高了0.22%,从而验证了所提方法的有效性.

针对轴流压气机的非轴对称端壁造型优化设计

针对某轴流压气机构建了一种新的非轴对称端壁造型,该造型可通过抑制角区分离来达到减小通道内二次流损失的目的。首先,在设计工况下,针对基准叶栅建立非轴对称端壁的自动优化设计方法。然后,在设计和非设计工况下,用NUMECA/Fine turbo模块分别对基准叶栅和优化叶栅进行定常流场计算。结果表明,两种工况下,优化叶栅有效抑制了角区分离,原因为非轴对称端壁造型改变了通道内的涡系结构;优化叶栅出口截面总压损失系数显著降低,叶栅出口气流角更加均匀和平衡。

一种新型涡轮叶栅非轴对称端壁造型的数值研究

为探讨非轴对称端壁造型降低涡轮叶栅二次流损失的有效性,构建基于高压涡轮直列叶栅的非轴对称端壁气动优化设计方法,并用NUMECA/FineTurbo模块对优化后的结果和原涡轮叶栅分别进行流场计算。结果表明:非轴对称端壁造型使叶栅通道的总压损失系数ω-降低了2.84%;改变了通道内的叶片载荷分布,形成了叶型的载荷后置;改善了流场内的流动结构,使气流的流动变得更加通畅;延迟了通道涡的过早形成,减小了通道涡的强度和尺度。因此,非轴对称端壁造型可以有效地降低涡轮叶栅通道内的二次流损失。

非轴对称端壁造型改善亚声速压气机转子性能的数值研究

为探索利用端壁造型提高轴流压气机转子的性能,以亚声速轴流压气机独立转子为对象,将转子等熵效率作为优化目标,对轮毂曲面进行了非轴对称端壁造型优化。对最优结果的流场分析后得出,本文优化后的轮毂壁面在转子吸力面尾缘处低速流区明显缩小,涡流几乎消除,而且降低了局部的逆压差,总体上减弱了尾缘的掺混损失和涡流损失,使得转子等熵效率提高了1.0%。

高压级涡轮非轴对称端壁造型数值研究

非轴对称端壁造型在叶轮机械的设计中得到了越来越多的重视。本文以某高压涡轮为研究对象,通过对端壁面上凸、端壁面下凹和轴对称端壁流场的数值模拟,分析了非轴对称端壁造型对涡轮性能的影响,探讨了非轴对称端壁造型降低流场二次流流动损失的机理。结果表明:采用非轴对称上凸端壁可提高涡轮气动效率0.57%,而采用非轴对称下凹端壁则导致效率下降0.56%,合理使用非轴对称端壁造型技术可有效降低二次流流动损失并提高涡轮气动性能。

非轴对称端壁透平级气动性能的数值研究

采用双控制型线方法对高负荷低展弦比透平级完成了非轴对称端壁造型设计;采用RANS方程和考虑转捩模型的SST紊流模型对轴对称端壁透平级和非轴对称端壁透平级进行了气动性能的分析和对比。结果表明:非轴对称端壁造型设计方法通过降低周向压力梯度减小了透平级的二次流损失,提高了透平级效率达0.16%;静叶流场的变化引起了动叶进口条件的改变,从而导致动叶进口压力和反动度增大。

用端壁造型减小涡轮叶栅二次流损失的数值研究

分别对常规叶栅、下端壁上凸和下端壁下凹叶栅的流场进行了详尽的数值模拟,通过将下端壁上凸和下端壁下凹叶栅中的通道涡的发生、发展过程与常规叶栅进行对比分析,对非轴对称端壁造型减小涡轮叶栅二次流损失的机理进行了初步的探讨。结果表明:下端壁上凸叶栅出口处的总压损失比常规叶栅下降了4.2%,下端壁下凹叶栅出口处的总压损失比常规叶栅增加了11.9%;在下端壁上凸叶栅中,下通道涡的形成比常规叶栅和下端壁下凹叶栅滞后,失去了充分发展的"机会"。这是非轴对称端壁造型能够减小涡轮叶栅二次流损失的根本原因。

轴流压气机转子端壁造型多目标优化的数值研究

针对NASA跨音速转子67,建立了可靠的数值计算模型,对3种不同的目标函数开展了非轴对称端壁造型的优化工作。3种优化方案均使得转子性能得到了不同程度改善,效率提升最大为0.41%。优化结果表明,由于相同流量的约束,转子通道中流量分布沿径向发生了改变,对于近轮毂的端壁区域来说,造型后静压梯度的方向对流场具有重要影响。不同造型结果中叶片尾缘三维角区分离的位置与范围也有所不同,当三维角区分离后移且沿径向发生迁移时,会使得效率得到的增益明显降低。

透平端壁冷却及泛冷却最优的端壁造型设计研究

结合克里金代理模型、NSGA-II算法和数值评估方法构建了涡轮叶栅非轴对称端壁造型优化设计系统,以端壁冷却和叶片泛冷却效率最优为设计目标,开展了考虑上游槽缝射流的非轴对称端壁造型多目标优化研究。对比分析了预旋射流下,优化设计的非轴对称端壁和参考设计端壁的冷却性能。结果表明:相比于参考设计,端壁冷却效率最优的优化设计1和综合端壁冷却与叶片泛冷却效率性能的优化设计2的端壁平均冷却效率分别提高了3.52%和2.18%;压力侧端壁冷却覆盖面积在非轴对称造型后显著增大;非轴对称端壁造型设计通过抑制二次涡而降低了叶片的泛冷却效率;非轴对称端壁造型设计改变了通道涡引起的高换热区位置。槽缝冷气量为1%时,2种优化设计在槽缝冷气射流预旋比0.6下均提高了压力侧端壁的冷却效率;槽缝冷气量为1.5%时,2种优化设计均扩大了压力侧端壁冷气覆盖面积,但是在槽缝冷却射流预旋作用下降低了叶栅端壁前部区域的冷却效率。

端壁造型技术在亚声轴流压气机级中的应用

为探索利用端壁造型技术来提高轴流压气机性能的可能性,以亚声轴流压气机试验级为对象,对端壁造型技术在压气机中的应用进行了研究.鉴于压气机的逆压工作环境,端壁设计结合了周向(非轴对称)和流向两个方向的造型,具体介绍了造型方法.对端壁造型后压气机级的数值模拟显示:端壁造型技术可以有效减小、消除静子角区分离,进而提高级的效率和压比.