有机工质向心透平静叶叶型优化研究

为提高10kW有机工质向心式透平的气动性能,利用Design Expert软件和ANSYS Workbench软件建立了静叶型线优化平台。以静叶效率为优化目标,将静叶型线的4个角度参数控制为设计变量,采用BoxBehnken试验设计方法进行试验设计,并对所有设计方案进行数值模拟计算,对有机工质向心透平的静叶型线进行了响应面分析及优化。优化后静叶效率达到90.911%,相比于原叶型,采用优化叶型后静叶效率提高了2%,流场分布更佳。研究成果可为有机工质向心透平的设计提供参考。     

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%。     

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°。     

离心压缩机三维叶片参数化气动优化研究

为提高离心压缩机气动性能，考虑二元叶轮优化多以构型参数为变量，不适用于变量间存在交互作用的三维叶片。以某三元叶轮为优化对象，考虑各变量间的交互作用，采用Bézier曲线加载叶片角，直接选取三维叶片型线为优化变量进行气动优化。结合CFD数值仿真、非线性映射能力较强的BP神经网络与全局寻优能力较强遗传算法，以提升等熵效率和压比为目标进行优化。结果表明：设计工况下，优化后的叶轮等熵效率同比提升1.9%,压比同比提升0.3。三维叶片中部向吸力面偏移，叶片尾缘向压力面偏转可同时提升叶轮的效率和压比。     

ORC向心透平叶轮扭曲规律对其性能的影响

以环己烷为工质,进行了200kW向心透平的热力设计和结构设计,并采用数值模拟方法研究透平内部的流动情况,分析了透平叶轮扭曲规律对透平性能的影响.结果表明:所设计的向心透平对于跨声速工况有着良好的流动特性,叶轮的扭曲程度会影响叶轮流道形状和出口气流与轴向的夹角;不同的叶轮扭曲规律下,透平轮周效率变化的最大值为2.44%,叶轮扭曲规律是叶轮结构优化设计的重要影响因素.     

基于Krain离心压气机叶轮的叶型优化

本文以设计压比为4.7的Krain离心叶轮为研究对象,以设计工况下多变效率为优化目标,对压气机叶型进行优化。采用CFX软件对其进行数值模拟,通过对内部流场分析发现叶轮入口存在较强的激波;基于ANSYS Design Exploration平台,采用Bezier曲线对该离心叶轮的叶片中弧线进行参数化,通过改变Bezier曲线控制点得出一系列设计叶型;对设计叶型进行数值模拟,筛选得出最优结果。优化后,设计工况下,叶轮多变效率提高0.84%,叶轮入口激波强度有所降低;同时也证明了使用ANSYS Design Exploration平台进行离心压气机优化的可行性。     

高负荷蒸汽透平叶片的性能验证

为了提高蒸汽透平的内效率，新开发了一种用于高、中压级的高负荷动叶片。叶片的型线用5次贝切曲线表示，结合二维湍流S1流面流动分析，采用了一种新的交互式技术设计叶型。通过优化叶片根部截面表面的气动载荷分布来改变叶型，这种反问题设计叶型方法不但可以减少叶型 损失，还可以降低端壁损失。通过三维叶片级的流动分析和空气透平试验验证新设计叶片级的级性能。证明新设计叶片改善了根部和中部区域的性能。特别是在设计工况，高性能叶片中部的改善使级效率提高0．3％。因此，证明了新动叶能有效地提高蒸汽透平的内效率，并用减少15％的叶片数，可有效地降低制造成本。     

有机朗肯循环向心透平气流激振及动应力分析

针对350 kW有机朗肯循环机组在满负载试验下发生叶片断裂故障的现象,在不改变蜗壳的前提下,对该向心透平的喷嘴和叶轮进行优化,包括优化喷嘴叶片的数量、型线和优化叶轮流道等。针对优化前后的向心透平进行非定常流场计算,并在额定工况下对新叶轮进行瞬态动力学分析。结果表明:新叶轮受到的气流激振力急剧降低;新叶轮平均应力很小,动应力非常小;新叶轮具有足够的静态和动态安全性。     

向心透平叶轮内部的流动分析与结构优化

采用非可展直纹抛物面法设计出适用于有机朗肯低温余热发电系统的小型向心透平叶轮。对初步设计的叶轮叶片进行数值模拟分析,以验证模拟方法的正确性,并从叶轮5%、50%和95%叶高截面处分别对叶轮内部的静压、总压、温度和速度分布进行流场分析,发现初步设计叶轮结构存在优化空间。对叶轮进行结构优化和数值分析,结果表明,优化后的叶轮性能明显优于原设计,透平等熵效率提高了1%。     

采用NURBS的某级透平叶片全三维气动最优化设计

用NURBS对叶轮机械叶片三维型面和基迭线进行参数化表达,实现了对叶片三维型面和基迭线弯、倾、掠、扭的变形控制.该方法为叶片的自动优化设计提供设计变量.把该方法构建的叶片全三维控制模块集成到基于商业软件iSIGHT的叶片粘性气动优化设计平台中,在该平台上选择优化算法对某级透平叶片进行了全三维气动优化设计实验,优化的目标是使级效率尽可能的高,同时流量不能降低并且动叶叶根前端的温度尽可能低.实验结果表明：优化后的叶型性能有所改善,同时也满足了流量和温度约束条件的要求.图23参5     

基于UG的超声速叶型造型设计方法

以某火电汽轮机末级叶片顶部截面的超声速叶型为原型,采用样条曲线和圆弧形成封闭叶型,通过UG使得叶型全参数化并保证曲线连续可导,并基于CFX做超声速叶型的气动计算,分析叶型流动损失的机理。将效率最高、损失最小作为寻优目标,基于优化模型调整可变参数,寻求最优解,完成了超声速叶型的优化。研究成果可为超声速叶型的型线设计提供参考。     

表面粗糙度对透平叶片气动特性的影响研究

叶片为透平的核心部件,其气动性能直接影响透平的整体效率,叶片表面粗糙度的水平会影响透平级压力,导致叶型损失发生变化。应用数值模拟技术对某冲动式和反动式机组各4级透平级进行分析,考虑反动度、载荷分布以及旋转等多种因素,研究表面粗糙度变化对透平叶片气动性能的影响。CFD数值研究表明:叶型损失变化曲线的斜率随透平叶片表面粗糙度的增大逐渐变小;不同反动度的透平叶片受叶片表面粗糙度的影响存在差异,冲动式叶片相对反动式叶片受到的影响更为明显;吸力面上的粗糙度对气动性能的影响明显大于压力面粗糙度的影响,这种影响作用在反动度提高后相应变弱。研究成果可为透平叶片设计和加工提供参考。     

某联产系统燃机前燃料透平设计

主要进行了某向心透平的气动设计。作者优化了关键参数选择和一维计算方法,并提出了基础设计方案。采用TASCflow系列软件进行了三维流场分析与优化设计,得到了叶片数对效率的影响及最佳叶片数。计算结果表明,所设计的叶轮具有高的热效率和结构上的可行性。     

汽轮机调节级喷嘴组气动优化设计

采用叶轮机械优化设计平台FINE/Design3D对调节级喷嘴组汽道进行全三维气动性能优化设计,在保证工作点不发生偏离的前提下,提高其等熵效率。经过分析,优化后喷嘴组叶片由于采用加载叶型,有效的抑制叶片表面的附面层厚度,降低叶型损失;喷嘴组外端壁型线更加平缓,端壁损失和二次流损失得到了有效地抑制。额定工况下,调节级等熵效率提高了1.8%,并且在其它工况下调节级气动性能都有明显提高。     

一种离心压缩机叶片优化设计方法

针对叶轮机械数值优化过程中常常需要大量耗时的CFD计算,发展了一种基于近似模型的优化设计方法.该方法的核心是一个用于建立样本点几何信息与其性能之间的近似模型的样本数据库.将该优化方法应用于某离心压缩机叶片优化设计,以极大化等熵效率为目标函数,在保证流量和总压比不减小的情况下,优化后叶轮的等熵效率提高了2.7%,优化后的叶片型线变得更平直,且顶部型线变化较根部明显.     

高压比跨音速离心叶轮的三维叶片型线优化

应用Fine／Design3D软件,采用CFD方法对某一高压比跨音速离心叶轮进行三维叶片型线优化设计,优化结果是效率提高了1．05％,压比和流量也都得到了提高。从几何变化分析,相对于根部、中径截面叶片型线,叶片顶部型线优化是提高跨音速离心叶轮效率的有效措施。     

变叶片数和长短叶片对某跨音速向心汽轮机气动性能的影响

利用三维数值模拟的方法对一跨音速向心汽轮机进行了气动设计优化分析,通过改变叶片数和采用长短叶片结构等方法分析其对叶轮内流场的影响,分析了TC-4P叶型的气动特点。结果表明:TC-4P叶型虽然只是普通的渐缩型流道的叶栅,但利用其斜切部的膨胀能力,对超音速工况一样具有良好的性能;叶轮采用长短叶片的方法可以有效地降低余速损失,并改善流动状况。     

某型TRT机组叶片性能优化设计

某运行高炉煤气余压回收透平发电装置(Blast Furnace Gas Top Pressure Recovery Turbine Unit, TRT)的动叶片是直叶片,机组运行效率不高。在不改变机组进气条件的前提下,通过优化叶型降低流道中的损失,提高TRT涡轮的效率。在给定TRT涡轮通流尺寸的基础上优化动叶片的型线,对原始型线进行三维CFD计算,在原型线的基础上进行优化改进,并针对动叶片的叶身部分做了强度校核计算,优化后机组的总效率提高了1.7%,机组的输出功增加了4.2%。     

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。     

几何参数变化对离心压气机性能影响的仿真研究

采用离心压气机性能仿真数学模型研究某些几何参数，如叶片顶部间隙，叶轮叶片出口角变化对压气机性能产生的影响，是当今设计高压比、宽工作范围、高效离心压气机的关键步骤。为此，首先建立了离心压气机性能仿真数学模型。为了验证数学模型的有效性，对Krain叶轮性能进行了计算。随后，对不同叶片顶部间隙，不同出口叶片角的压气机性能进行仿真研究。研究结果表明，随顶部间隙的增大，压气机效率及压比下降；后弯叶轮性能优于径向叶轮。