基于NURBS曲线的离心透平叶型设计

针对离心透平的环列叶栅叶型,采用四段三次NURBS曲线(非均匀有理B样条曲线),分别对前缘圆弧、尾缘圆弧、叶背、叶盆进行参数化表达,环列叶栅叶型的设计自由度为14个,可灵活进行局部调整。采用高精度流场模拟方法,基于优选法,获得气动性能较高的设计参数。结果表明上述方法简单易行,优选出的离心透平级设计工况及变工况气动性能都得到了显著提升,与已有文献相比,单排静叶总压损失系数降低18.85%,整级轮周效率提高4.08%,动叶叶片数也减少17个。     

高压缩比米勒循环汽油机气门策略优化

在一台几何压缩比为13.4的增压直喷汽油机上,通过实验探索了米勒循环在中小负荷对高压缩比汽油机热效率提升规律以及实际应用效果,结合仿真揭示了米勒循环对进气道废气重吸的影响.研究表明:由于废气重吸现象的存在,米勒循环在小负荷工况能促进SI-HCCI混合燃烧,固定循环喷油量下的小负荷工况通过气门相位优化,热效率提升幅度可达12%,在中等负荷工况指示热效率可进一步提升至40%.由于不同工况进气道废气重吸程度的不同,通过米勒循环降低发动机有效压缩比在中小负荷并不一定能导致缸内温度降低.     

进口条件改变对风机性能影响的研究

以某低压轴流风机为研究对象,采用数值模拟与实验对比的方法,通过改变风机进口集流器圆弧大小以及电机和叶轮的安装位置形成电机前置,研究轴流风机进口结构形式及流场改变对其气动性能的影响。研究结果显示:0.2D以内的四种不同半径的圆弧形集流器对进口流场及出口静压升并无明显改善;电机前置加长了风机进口长度,对进口流场起到明显的整流作用,在设计工况点下,进口流场得到明显的改善,动叶表面压力分布更加均匀,动叶及导叶出口叶根处气流失速区基本消失,流场更加稳定,出口静压提高12.5%,静压效率增加7.2%。     

多气门汽油机滚流进气道结构的研究

为设计多气门汽油机强滚流进气道，作对所设计的几种滚流进气道模型在稳流试验台上进行了性能测试。结果指明了强滚流进气道对结构的要求，揭示了上大下小的喉口截面形状的进气道可得到较强的滚流强度，但难以提高综合进气性能指标，并证实用滚流进气道与作研制的导流型副气道的组合进气方案可实现提高滚流强度而不牺牲进气流量系数。     

基于激波形状控制的高超声速轴对称进气道设计

文中主要针对基于二次流控制的高超声速轴对称可调进气道,给出了其具体的流道实现方案,完成了进气道设计工作。而后通过全流道仿真分析,检验了该可调进气道在非设计点的工作情况,获得了其工作特性,仿真说明文中设计的进气道具有良好的工作性能。     

燃气轮机多级轴流压气机快捷一体化气动设计与性能优化研究

基于子午流面正反问题流线曲率法、改进Powell算法和叶型参数化方法,构建轴流压气机快捷气动设计、性能分析与优化平台,对某燃气轮机9级轴流高压压气机开展一体化气动设计和多目标优化。结果表明:该平台可自动有效实现多级轴流压气机快速设计、多工况性能分析和优化流程;优化改善了压气机各叶排流动和负荷匹配,实现了多工况扩稳增效;优化后设计点流量、总压比、绝热效率及设计转速下喘振裕度分别为25.97 kg/s, 5.038,88.25%和33.33%;相比优化前,设计转速下裕度提升了5.39%,80%相对转速下裕度和目标工况点效率分别提升了7.56%和2.71%。     

汽油机动力性能试验设计与多目标优化研究

针对某高速汽油机中低转速工况下动力性能较差的实际问题，分别建立发动机一维模型和三维模型，计算分析导致汽油机在中低转速工况下动力性能差的原因并确定优化参数。在此基础上利用试验设计方法（design of experiment， DOE）分析了多影响因素共同作用对发动机动力性能的影响，随后采用遗传算法对原发动机动力性能进行多目标优化。优化结果显示汽油机在目标转速工况下的转矩和功率都有10%以上的提升，在中低转速工况下的动力性能得到较大提升。最后根据优化结果试制样机并进行台架试验，结果显示在5 000 r/min转速工况下，样机的转矩和功率分别提升29.7%和28.1%，样机相较于原机在中低转速工况下动力性能有较大提升，解决了原发动机在中低转速工况下动力性能较差的实际工程问题。     

汽油机进气道及燃烧室结构优化与性能研究

通过优化进气道和燃烧室结构来提升某缩缸后排量0.375L的单缸汽油机的性能,达到小型强化的目的。利用CONVERGE软件对发动机进行不同气门升程下气道稳态数值模拟和3 000r/min满负荷工况下的瞬态燃烧过程模拟。分别提出4种进气道优化方案和3种燃烧室优化方案。综合考虑流量系数和滚流比,选取优化进气道方案A。采用方案A进气道,平均流量系数提升22.26%,平均滚流比提升14.41%。在选用进气道方案A的前提下,综合分析不同燃烧室方案下流场分布、混合气分布、温度分布、缸内压力和燃烧相关参数,最终确定燃烧室优化方案2的缸内流场分布、湍动能和混合气分布情况能增加火焰传播速度,缩短急燃期,指示功率较缩缸后原方案提升14.1%,动力性能达到缩缸前0.400L排量发动机的水平。     

排汽缸导流内环子午型线改型设计的数值研究

为了降低某汽轮机低压排汽缸的流动损失,对占流动损失比例较高的环形扩压器进行了改型设计,改变扩压器内导流环子午型线圆弧段半径,数值研究其大小变化对排汽缸气动性能的影响。结果表明,扩压器内导流环圆弧段半径增大,提高了汽流在环形扩压器中的增压程度,降低了汽流由扩压器出口进入排汽蜗壳时的压力突升,改善了排汽缸的气动性能。     

柴油/汽油反应活性控制压燃发动机喷油协调控制与排放特性研究

对某4缸高压共轨柴油机进气道进行改造,搭建了柴油/汽油双燃料反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)发动机专用试验台架,设计了柴油/汽油双燃料RCCI燃烧汽油喷射控制策略,实现了全工况下汽油与柴油的协调喷射控制,系统地研究了不同运行工况下,不同汽油替代率对柴油机燃烧与排放性能的影响规律。结果表明:采用柴油/汽油双燃料RCCI燃烧控制策略,发动机可在其运行工况范围内实现高效清洁燃烧,随着汽油替代率的增加,发动机缸内最高压力逐渐增大,缸压峰值出现时刻推迟,放热率峰值降低,燃烧持续期延长,燃油消耗率降低,有效热效率升高,全碳氢、CO排放增加,NOx和碳烟排放降低。     

喷嘴可调式蒸汽喷射器的性能计算

基于气体动力学函数法,建立了的喷嘴可调式蒸汽喷射器的变工况性能计算模型。应用该模型得到了喷射器压缩蒸汽压力变化时,不同喷嘴喉口面积下喷射器性能的变化规律,为研究喷嘴可调式喷射器的变工况性能提供依据。结果表明:减小喷嘴喉口面积,喷射器的最佳工作点具有较高的喷射系数,同时该点的压缩蒸汽压力、压缩蒸汽温度较低;喷射器压缩蒸汽流量随喷嘴喉口面积减小而降低。     

进气流态对天然气发动机性能影响的试验研究

对原涡流进气道进行了改制,设计了具有滚流特征的进气道,在试验台架上分别对匹配这两种进气道的天然气发动机进行了性能测试．结果显示：相同工况和控制参数下,与涡流进气道相比,匹配滚流进气道涡前压力和涡前温度更低,燃气消耗率降低1～2 g/(kW·h),并且缸内压力更高、循环变动更低,燃烧始点(AI05)和燃烧中心(AI50)提前2°～3°CA,但燃烧持续期整体长5°～7°CA．进一步分析发现,滚流进气道的性能优势在于可以实现更好的火花塞扫气,但滚流进气道加速燃烧的效果不明显,并且爆震倾向增加明显,这与其点火滞燃期短和设计滚流强度较弱有关．此外,滚流进气道循环变动低、燃烧稳定性好,这种特性使得滚流进气道对废气再循环(EGR)率的耐受度更高,对降低排气温度有利．     

船用燃气轮机压气机多级可调静叶优化匹配方法研究

作为防止燃气轮机喘振的有效手段之一,可调静叶技术的应用能够提升压气机在非设计工况下的效率和运行范围,从而提高燃气轮机变工况下的经济性和稳定性。以某型船用三轴燃气轮机为研究对象,建立压气机一维性能分析模型与燃气轮机零维仿真模型耦合的变维度燃气轮机仿真模型,以经济性和稳定性为优化目标,通过多目标遗传算法对低压压气机多级可调静叶进行优化匹配。结果表明:优化后的可调静叶方案能提高压气机的喘振裕度并降低耗油率;静叶处于不同优化角度方案时,不同工况下压比-流量共同工作线上压比最高提升2.17%,效率-流量共同工作线上效率最高提升4.34%,折合转速提高3%～4%。     

多级轴流压气机全工况特性预测

使用三维粘性流动计算软件Fine／Numeca,研究了多级轴流压气机在设计工况及非设计工况的性能预估问题。对某七级轴流压气机进行了全工况特性数值计算。重点分析了低转速下近失速点、设计转速下近最高效率点、高转速下近堵塞点、进口导叶关小时设计转速下近失速点等四个典型工况点的流场特性。计算工作在自主开发的20节点集群计算机系统上进行。计算结果表明现有的软件和硬件平台能比较准确地预测压气机多叶片排的全工况特性。     

海洋温差能向心透平的气动设计及性能研究

通过对7.5 kW海洋温差能向心透平的蜗壳、喷嘴和叶轮进行气动设计,模拟研究了透平在设计工况及非设计工况下的气动性能。采用经验参数及遗传算法优化方法对透平的一维参数进行设计,得到一维设计结果,并据此对蜗壳、喷嘴和叶轮进行三维设计,得到透平的气动结构造型。利用CFD技术模拟研究了透平的三维流场及性能,得到透平在设计工况及非设计工况下的性能,模拟结果表明:在设计工况下,透平效率为86.5%;在非设计工况下,透平效率随着叶轮转速的增加而增大,但增加至设计转速后,透平效率增加幅度较小;随着进口温度的升高,透平效率逐渐增大;当进口压力为设计工况压力时,透平效率存在最大值;非设计工况下的透平功率基本与叶轮转速、进口压力和进口温度均呈正相关;设计工况下的最佳喷嘴-叶轮相对径向间隙为0.05,可变喷嘴叶片安装角为35～40°。     

离心风机双圆弧型线的气动特性研究

通过控制双圆弧叶型两段圆弧相切点半径、切点处叶片角两个参数,设计多种双圆弧离心风机模型,采用计算流体力学获得风机性能和流场数值解,研究中间圆系数、叶片角系数对性能的影响。结果表明,双圆弧离心叶轮设计中中间圆系数取0.7时,整机性能平稳,效率和压升较高;在叶轮进口段叶片角缓慢增长而在出口段叶片角的快速增大有利于减小流动损失,改善流场品质,提高风机效率。     

周向偏距对串列叶栅气动性能的影响

周向偏距是压气机串列叶栅设计的一个重要参数,选择合理的周向偏距需要兼顾叶栅设计点和非设计点性能,为此本文采用数值模拟方法,研究五种不同周向偏距的串列叶栅在设计点和近喘点工况下的总体性能和流场细节。研究结果表明,在设计点工况下,增大周向偏距叶栅损失减小,出口气流角随周向偏距的变化相对较小;在近喘点工况下,叶栅损失随着周向偏距的增大先减小后增大,出口气流角随着周向偏距增大而最大有约9°的轴向偏离。因此兼顾压气机设计点和非设计点性能时该叶栅的最佳周向偏距设计值在0.67~0.80之间。     

基于正交试验的低速机增压器涡轮排气壳性能优化研究

为提升船用低速机涡轮增压器性能,对增压器涡轮排气壳底部流道结构进行参数化,设计并开展了以效率为优化目标的四因素三水平正交试验优化设计和增压器整机性能试验。首先,采用CFD数值模拟方法对不同参数组合的涡轮气动性能进行了计算,然后对涡轮排气壳底部流道结构参数开展了灵敏度分析,同时针对不同参数组结构开展了内部流场对比分析,明确结构因素对流动的影响机理;在此基础上对优化后方案开展了涡轮特性分析,最后在低速双燃料机平台上开展增压器整机试验验证。分析研究表明：在涡轮进气壳、喷嘴环和涡轮叶片等通流部件结构不变的前提下,涡轮排气壳排气方向轴向长度对涡轮整级效率的影响最大,优化后效率明显提升,设计点总压损失系数降低0.3874,静压恢复系数提升0.537,总静效率提升1.85%,其余工况总静效率最大提升2.4%。试验结果表明：优化后涡轮增压器整机效率在主机燃油模式和燃气模式下的全工况范围内效率均有提升,最大提升幅度分别达到1.4%和2.1%,涡轮性能和增压器整机性能改善明显。     

进气道喷水对高强化柴油机燃烧与排放特性的影响

针对高转速和大负荷工况下发动机粗暴燃烧、热负荷过高的问题,在一台高强化单缸柴油机上加装进气道辅助喷水系统进行仿真试验,研究了进气道喷水对燃烧与排放特性的影响。通过建立一维热力学模型和三维全气道模型,在独立进气道水喷射系统的高强化单缸柴油机上进行试验,对比不同喷水压力和水油比对缸内氧气浓度、燃烧压力、燃烧温度和NOx排放的影响。试验结果表明,喷水压力为1 MPa、水油比为0.6时,缸内最高燃烧温度降低34.2 K,NOx生成量减少24.6%。进气道喷水可明显降低缸内燃烧温度,在优化排放的同时有效改善了高强化柴油机热负荷过高的问题。     

转子寿命计算中的应变集中系数

本文用弹塑性有限元法.对上汽厂30万千瓦汽轮机高压转子的最危险截面——调节级后过渡圆弧段进行了计算.计算结果表明:过渡圆弧半径从R3改为R20,最大当量应变即能降低17%～25%,热应变集中系数能降低18%～26%,转子寿命可延长两倍左右.对汽封弹性槽计算的结果表明:将原来设计的单圆弧弹性槽改为三圆弧弹性槽,热应变及热应变集中系数均可明显下降.本文的计算结果己用于上汽厂30万千瓦汽轮机的改型设计.