增压器压气机叶片结构/振动一体化优化设计

以废气涡轮增压器压气机叶轮为研究对象,创建了压气机叶片的三维参数化模型,通过全三维流场仿真分析,得到压气机的气动性能及叶片表面的压力分布.在不改变叶片形状、保证压气机气动性能的情况下,对叶片的静强度及振动特性进行了一体化优化设计.以叶片4个关键截面的叶顶、叶根厚度为设计变量,以离心力及气动压力作用下叶片的最大Mises应力、叶片的一阶动频为约束,以叶片体积为目标函数,在iSIGHT优化平台上集成了I-DEAS、ANSYS软件,采用混合整型优化和自适应模拟退火算法的组合优化方法,在满足叶片静强度小于屈服强度和一阶动频大于3倍工作频率的条件下,叶片体积(质量)减小了14.7%.     

压气机微小损伤叶型流动特性及边界层发展机制研究

压气机在运行过程易受到砂石等外来物冲击,致使叶片产生轻微损伤,进而导致气动性能下降。本文以某轴流压气机进口级静子中基元级为研究对象,利用数值模拟方法分析了“凹坑”型损伤尺寸、位置对压气机叶片基元级性能的影响规律,揭示了叶型损伤对边界层流动演化的影响机制。研究表明：随损伤位置向前缘靠近,叶型性能恶化程度呈非线性增大;损伤特征尺寸可以影响边界层转捩的形式,进而影响叶型损失;型面损伤增强了边界层流体与主流区的掺混程度,使损伤区域附近边界层流体动能增强,进而影响分离泡转捩位置,在特定条件下可以减小叶型损失。     

压气机叶片尾缘增厚方法的分析与研究

受限于制造能力,压气机叶片的尾缘需要增厚。为了尽可能保持原有设计的气动性能,对两种不同的尾缘增厚方法进行了数值模拟研究。第一种方法尽可能保持了原有叶型的吸/压力面型线,以移动尾缘圆心的方式获得增厚叶型,叶型的弦长缩短;第二种方法保持了原有叶型的弦长,以改变二维叶型局部厚度分布的方式获得增厚叶型。数值模拟结果显示,在一致的尾缘厚度下,两种尾缘增厚方法对压气机叶片的稠度、展弦比、扩压能力和气流折转能力均产生了不同的影响。相较而言,方法一导致了压气机叶片的负荷降低,扩压和气流折转能力下降;方法二能够更大程度的保持气动性能。建议采用方法二对过薄的叶片尾缘进行加厚处理。     

重燃压气机第7级静叶栅气动性能的试验研究

在亚音速低速风洞上,对9FA重型燃气轮机压气机第7级静叶栅进行了吹风试验。为了考察叶栅的变冲角气动特性,在0°和±7°冲角下完成吹风试验。对试验结果的理论分析表明,该压气机静叶栅借助叶片前掠和下端壁子午型线收敛控制叶片表面后部增压段长度和增压率分布,获得了较为优良的气动性能。     

自循环机匣处理对某型柴油机增压器压气机的稳定工况范围及性能影响研究

针对某型柴油机增压器压气机,基于整级全通道数值模拟和正交试验设计方法,研究了自循环机匣处理实现高亚声速压气机扩稳增效的潜力。结果表明：自循环机匣能够在提高设计点气动性能的前提下推迟失稳,但会牺牲堵塞流量。压气机的失稳和堵塞流量分别与叶片前缘及叶片扩压器中的堵塞程度相关。小流量侧自循环机匣通过抽吸叶轮叶顶附近低能流体,缓解堵塞,推迟失稳。但在大流量侧自循环机匣的喷射效应会增大扩压器进口攻角,加剧扩压器叶片流动分离,减小堵塞流量。抽吸效应与喷射效应强度均取决于抽吸槽的位置和宽度,压气机稳定性和堵塞流量与抽吸槽参数的变化基本呈负相关。自循环机匣对气动性能的影响包含两方面：在抽吸槽前,经回流槽流出的流体与主流的掺混及其产生的进口畸变将带来额外的效率和压比损失,适当减小回流槽角度可以降低该损失;在抽吸槽下游,得益于抽吸效应对叶顶流动状态的改善,压气机抽吸槽附近及下游高熵区减小,做功能力增强,气动损失大幅降低。在上述两方面共同影响下,压气机设计点气动性能最终得以提高。     

舰船大功率轴流压气机气动设计研究

基于建立的舰船大功率多级轴流压气机气动设计体系,开展了舰船用某型大功率燃气轮机压气机设计研究,完成了6级轴流压气机的气动设计。进行了一维反问题设计、一维特性计算分析、S2反问题计算、叶片造型以及三维CFD计算分析。各级载荷分布从前面级到后面级逐渐降低,叶展方向按照等压比分配以避免径向掺混损失过大,S2设计并没有严格遵循传统的设计规律(等环量、等反动度等),而是基于一维设计方案通过不断调整优化获得的。根据CDA的特点,开发了可用于工程应用的叶片造型程序,可实现不同中弧线、不同厚度分布调节,能够实现叶片弯、掠等功能。三维数值模拟结果表明,考虑动叶叶顶具有0. 5 mm间隙的情况下,6级压气机设计点效率达到89. 75%,设计转速下的喘振裕度为22. 5%,同时具有较好的变工况性能。     

多级压气机动叶不同周向位置下叶片动应力及响应计算

对多级压气机进行非定常计算,数值模拟了某型燃气轮机中间三级轴流压气机流场,研究第二级动叶处于不同周向安装位置下中间级静叶片动应力及响应,指出动叶不同周向位置对应的气流激振力对叶片的气动负荷以及动应力造成了明显的影响,特别是在对叶片构成危险性最大的一阶低频共振点,动叶片处于CLK0安装位置时的激振力对叶片应力和位移响应幅度影响程度都明显要大于其它安装位置的情况,同时导致S2叶片产生比较强烈的共振,造成结构上的疲劳损伤.     

用于跨音速多级轴流压气机气动性能模拟的准一维程序

发展了一种能够较为准确预测跨音速多级轴流压气机气动性能的准一维数学模型。该模型基于欧拉方程外加源项的方法,可对多级轴流压气机的气动性能进行数值模拟。方程中的源项用于表示叶片、壁面摩擦以及流道面积变化对气流的影响,可以通过求解叶片排的进出口速度三角形求得。通过对跨音速压气机内部复杂的三维流动现象进行了简化,发展了合适的损失系数和落后角模型用来计算得到叶片排出口参数。对两种不同的多级跨音速压气机进行了数值模拟并与实验结果进行了对比,验证了本模型能够较为准确地模拟出跨音速轴流压气机的气动性能,但计算的精确度还需要根据不同的压气机类型对经验公式的系数进行优化。发展的模型根据压气机简单的几何尺寸就能对其气动性能做出较为准确的预测,这在压气机的预设计以及优化阶段有着重要的指导作用。     

压气机动叶CLOCKING效应对叶片可靠性影响的数值研究

采用基于谐函数(harmonic)的非定常计算方法,数值模拟了某型燃气轮机中间三级轴流压气机流场,研究第二级动叶CLOCKING效应对中间级静叶片气动负荷的影响。通过对各列叶片非定常气动力和气动力矩进行时域分析,指出不同CLOCKING位置对应的气流激振力对叶片的气动负荷造成了明显的影响。进行了中间级动叶和静叶的振动可靠性分析。计算结果表明,该压气机的3组静叶片避开共振区的程度各不相同。R2转子叶片处于不同的CLOCKING位置会引起下游S2静叶片气流激振力发生显著变化,导致S2叶片产生比较强烈的共振。     

单级离心压气机气动性能预测与优化设计

为了提升低转速工况下压气机的气动性能,采用人工神经网络与遗传算法相结合的优化方法对某单级离心压气机离心叶轮的弯特性进行优化计算。利用NUMECA软件对该离心压气机进行了不同转速的数值模拟,得到压气机不同工况下的气动性能。通过设置不同控制参数和曲线形式对离心叶轮叶片进行参数化拟合,以8个改变叶片弯特性的参数为自由参数进行了叶型优化设计,最终得到了优化后的叶轮叶片。结果表明:优化后在低转速的设计工况下离心压气机压比增加了4.69%,稳定裕度拓宽了17.41%。     

某氦气压气机三维优化设计

对某氦气压气机设计方案三维数值模拟计算结果特点进行分析,指出了三维优化改型设计方向和指导原则,通过调整叶片厚度分布、叶片尾缘型线曲率和采用端弯技术等方法,对原型氦气压气机气动设计方案进行了全三维优化设计,对比分析三维优化设计前后数值模拟计算结果,三维优化设计后压气机效率提高2个百分点,有效控制了二次流动进一步发展。     

叶片根部倒角对离心叶轮气动性能影响

叶轮是决定离心压气机气动性能的关键因素之一,在保持叶轮设计参数不变的条件下,调整叶根倒角的分布,对比分析叶根倒角对压气机性能的影响.利用Numeca软件对跨声速离心压气机进行全三维稳态流动数值模拟方案分为等半径倒角与变半径倒角两种.结果表明:主叶片后半弦长的倒角是决定压气机气动性能的关键性因素,尾缘倒角比前缘更敏感;根...     

非对称式N次谐波凸轮型线设计方法的研究

提出了一种非对称N次谐波凸轮型线的优化设计方法。新设计方法能有效控制N次谐波凸轮型线的设计结果,实现凸轮型线在360°内二阶导数连续;气门开启速度高于关闭速度;上升缓冲段终点加速度大于下降缓冲段终点加速度;下降段正加速度极值低于上升段;解决了N次谐波凸轮型线设计中存在的缓冲段加速度波动突变的设计难点。     

燃气轮机压气机动叶片设计与计算

利用传统压气机叶片亚音速设计方法,针对某重型燃气轮机压气机某级动叶片,采用等环量与等进口气流角沿径向气流参数分布规律的方法设计了两种叶片。利用数值模拟的方法对两种叶片在额定工况与变攻角工况下的气动性能进行分析,探究了传统叶片设计方法在重型燃轮机设计中的可行性与适用范围。计算结果表明,本设计在压气机叶片中径处来流气体相对马赫数低于0.6的情况下是比较成功的,该方法可以应用于重型燃气轮机压气机和低亚声速级的叶片设计中。     

粗糙度对压气机叶栅性能影响研究

受工作环境的影响,空气中的杂质进入到压气机内部,这些杂质冲击压气机部件表面造成壁面粗糙度增加,严重时会造成叶片损伤,严重影响压气机的安全稳定运行。为了分析粗糙度造成压气机性能衰退的气动原因,首先需要研究粗糙度对叶栅性能的影响。选择某双弧形压气机叶栅作为研究对象,首次使用一种多控制点叶型型线变化的方法模拟二维粗糙叶片表面,从而实现粗糙叶片的物理模型体现。数值模拟计算过程中避开了传统的、经验式的壁面函数方程,提高了数值模拟对于粗糙表面的计算精度。研究了不同粗糙度以及不同粗糙位置条件下叶栅各方面的损失变化。研究结果表明：当叶栅表面完全粗糙时,尾迹损失值较光滑叶栅升高33%;叶背前缘20%位置的粗糙度对叶栅性能影响最大。     

静叶端弯对某两级轴流压气机气动性能的影响

利用数值模拟的方法,研究了静叶采用前缘增弯对某多级重型燃气轮机压气机中间两级气动性能的影响。计算结果表明,在近失速点处,原型静叶角区存在较大尺度的闭式分离泡。应用端弯叶片技术后,端壁回流区消除,角区分离尺寸减小,在保证设计点处气动性能不变的前提下,两级压气机的喘振裕度增加了12.85%,峰值效率提高了约0.67%。     

叶型探针对跨声压气机性能影响的数值模拟

为揭示叶型探针对跨声压气机气动性能影响的物理机理,采用三维数值模拟方法,通过构建带多点实体探头的1.5级压气机计算模型,详细研究了设计转速下压气机在安装探头前后性能特性与内部流场的变化规律。结果表明:级间局部静叶安装探头后,压气机下堵点流量减小0.1%,最高效率降低0.4%,失速点流量增大0.15%;由压气机工作点改变所引起的静叶攻角变化是影响叶片表面两侧探头绕流尺度的重要因素,并且探头绕流影响程度与静叶气动负荷存在较高的关联度;探头大尺度绕流加剧下游转子叶背根部附面层径向迁移与分离是导致该型压气机气动失稳提前的主要原因。     

半开式离心压气机叶轮性能设计的流体技术

借助任定准正交面法对上海船厂380增压器压气机叶轮进行了气动性能设计。通过系统的变方案计算,发现在整个叶轮流场中最大气动负荷总是出现在导风轮进口顶部叶片速度面上、工作轮出口近轮盖处的叶片压力面上和因叶轮旋转而产生的边界层甩脱效应受益较少的导风轮进口轮毂型面上。从流体技术基本概念出发,本文提出了鉴别叶轮势流场品质的三条准则。若满足和实现这些准则,就能可控地设计叶轮通流部分的参数和型线。     

航空发动机高压压气机吸雨特性分析

为了评估高压压气机吸雨对其气动性能的影响,利用压气机一维计算方法,结合能够反映气水混合物在压气机内部流动物理现象的两相流计算模型,以E3十级高压压气机为研究对象,在来流含水的状态下进行了一维特性计算,研究分析了不同含水量对压气机气动性能的影响。研究结果表明:水滴粘附在叶片表面形成的水膜及水在流动过程中的蒸发作用对压气机性能存在不可忽视的影响。     

机翼型及板型叶片轴流风机气动性能计算及比较

采用数值模拟方法对机翼型及板型叶片的轴流风机的气动性能进行了比较.通过对比这两种叶型的风机在相同几何条件下的流量、全压升及效率,得到了不同叶片型线对风机气动性能的影响规律.数值模拟结果表明机翼型叶片的全压效率、通流能力和做功能力等方面比相应的板型叶片具有优越性.