618 kW氦氙混合工质向心透平气动设计及分析

本文针对空间核电源系统中高效、轻质的向心透平,采用一维设计结合三维数值计算的方法,设计出以氦氙混合气体为工质的向心透平.使用ANSYS CFX对向心透平的气动特点以及流场特性进行了数值模拟,分析了叶轮内部流动和损失分布情况,数值结果显示出所设计的向心透平有较好的气动性能,效率为84.4％,功率为618.3 kW,本文还...     

10kW有机工质向心透平气动设计及优化研究

根据给定的工质R245fa和透平输出功率10k W,利用MATLAB软件编写有机工质向心透平气动设计程序,对设计输入参数进行敏感性分析,并利用遗传优化算法(Genetic Algorithm)对一维气动设计进行全局优化,得到约束条件下最高轮周效率为85.76%。在ANSYS平台上利用一维气动设计优化结果进行三维造型设计和计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模拟。CFD模拟结果显示,模拟的透平输出功率与一维设计结果误差为3%,透平效率误差为2.08%,说明一维气动设计准确性。     

3MW生物质发电超临界CO2向心透平设计

进行生物质发电用3MW SCO_2向心透平设计,借鉴筛选法的参数约束范围,利用向心透平设计系统进行一维热力计算,并进行静动叶造型。进行三维气动性能校核,仿真结果表明:所设计的向心透平设计点气动性能优良,满足设计要求。     

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°。     

500 kW有机工质向心透平气动设计

对500kW等级ORC向心透平进行气动设计,利用NREC-Rital模块进行一维热力计算,并进行动静叶造型设计。利用Numeca软件进行向心透平气动性能校核,仿真结果表明:设计的向心透平设计点气动性能优良,满足设计要求。     

基于Gauss过程回归的超临界二氧化碳透平设计-优化方法

针对传统超临界二氧化碳(S-CO_2)透平设计方法精准度差、设计及优化周期长的问题,基于一元流动理论建立了快速的S-CO_2向心透平热力设计方法,结合高精度的三维气动分析方法,提出了一种基于Gauss过程回归的设计-优化方法,利用热力设计以及Gauss过程回归预估透平气动设计的真实效率,并在模拟退火过程中检验设计结果的有效性,通过S-CO_2透平的设计及优化算例证明了该方法的高效性。结果表明:透平等熵效率从初始设计方案的83.68%提升至最优设计方案的91.20%,对于传统的气动设计及模拟退火方法需要120次的气动分析,而该方法仅需24次气动分析,大幅缩短了设计-优化时间,具有较高的工程实用价值。     

热力学模型对ORC透平二维导叶栅流场模拟结果的影响

为研究有机工质的真实气动特性,采用3种计算精度的气体状态方程,计算不同状态方程下工质的热力学参数;考虑工质黏性,对ORC透平二维导叶栅进行数值模拟,分析基于不同气体状态方程计算所得的透平内工质的气动参数、质量流量和出口气流角.结果表明:理想气体状态方程的计算结果与实际气体状态方程间有很大偏差,有机工质透平的设计应基于实际气体状态方程.     

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。     

基于复合进化算法和Navier-Stokes方程求解技术的透平叶栅气动优化设计

提出了基于复合进化算法和Navier-Stokes方程求解技术的透平叶栅气动设计方法。复合遗传算法是结合进化算法与单纯形法,通过对群体中的最差个体采用单纯形法进行改造,提高进化遗传算法的搜索效率。透平叶栅的气动优化设计目标是总压损失最小。总压损失的计算采用Reynolds平均Nayier-Stokes方程求解技术,紊流模型采用Baldwin-Lomax代数紊流模型。优化设计变量是叶栅型线参数化Bezier曲线控制点坐标,优化设计得到叶栅的总压损失减小了20％。设计结果证明了本文所提出的优化技术对透平叶栅气动设计是一种有效的方法。     

OWC波能装置冲击式透平的计算流体力学分析

近年来,配有固定导流叶片的冲击式透平在OWC式波能发电装置的应用中受到广泛重视.利用Fluent软件对这种透平进行三维数值模拟,考察了外径间隙和轮毂比对透平工作性能的影响;研究了动叶片表面的压力分布和空气流动情况.计算结果与试验数据较为符合,为透平的设计提供了参考值,该数值方法可以成为深入研究波能发电装置冲击式透平的有效手段.     

基于一种新的优化方法的水平轴风力机风轮设计软件

提出了一种用于水平轴风机风轮设计的软件。该软件的主要目的是为风力机设计者提供一种灵活的集成设计环境，其核心是一个水平轴风机的气动优化过程。该过程基于一种改进的叶素理论，它采用一个有限叶片的旋涡系，因此叶片数量的影响被考虑进行并可得到更精确的气动力。     

1.5MW风力机整机定常及非定常数值模拟

本文运用计算流体力学方法,以1.5 MW风力机为例,对风力机整机三维模型的空气动力学特性开展研究。针对三翼型风力机叶片,利用改进的Wilson方法进行气动设计,并通过寻找各截面最佳雷诺数的方法进行优化修正。建立了整机三维模型,设计流域并划分网格,定义边界及区域。最后对上述模型进行额定工况下定常与非定常数值模拟,利用模拟结果开展有关压力、失速特性等空气动力学特性的分析。结果表明：非定常模拟在风轮背面上的平均压力比定常小,使风轮前后压差变大,输出功率加大,其主要原因是叶尖出力的增加;旋转使得风力机叶片发生流体分离延迟,且产生更高的升力系数。     

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。     

畸变进气条件下风扇三维非定常流动数值模拟

分析畸变进气情况下轴流风扇/压气机三维流场和性能的三维可压缩模型.该模型利用流线曲率法求得叶片对气流做功的叶轮机源项,然后通过求解带源项的三维非定常Euler方程,对风扇/压气机内部三维流场和性能进行模拟.利用该模型对某一跨音速风扇转子的三维流场和性能进行了数值模拟分析,特别是分析对比了在进口无畸变和进口有畸变情况下的风扇内部三维流场和气动性能.研究结果表明,该三维理论预测模型能有效地分析进气畸变对轴流风扇性能及其稳定性的影响.     

Design of high-efficiency turbomachinery blades for energy conversion devices with the three-dimensional prescribed surface curvature distribution blade design (CIRCLE) method

The purpose of this paper is to present the advantages of the direct presCrIbed suRface Curvature distribution bLade dEsign (CIRCLE) method for the design of high-efficiency turbomachinery blades. These advantages are illustrated by redesigning several examples of axial turbomachinery blades of interest to energy conversion devices, and discussing in detail the aerodynamic performance and efficiency improvements of the redesigned blades over the original geometries. The two-dimensional (2D) method, originally proposed for turbine blades, has been extended for use with 2D and three-dimensional (3D) turbine, compressor and fan blades, and isolated airfoils. By specification, the method allows joining line segments between the leading edge (LE) and trailing edge (TE) circles or ellipses so that the streamwise distribution of surface curvature and slope of curvature are continuous everywhere from the LE stagnation point to the TE stagnation point. The form of the line segments to prevent the “wiggles” of higher order lines is presented. Also by specification, the CIRCLE method can be integrated with multi-objective heuristic or evolutionary-algorithm optimization methods. The efficacy of the method is examined by: redesigning two 2D turbine blades, one 2D compressor blade, and one 2D isolated airfoil; and by designing one 3D compressor blade row and one 3D turbine blade row. The aerodynamic performance improvements between the original and the sample redesigned blades are discussed in detail, resulting in higher-efficiency blades than the original geometries. Further extension of the method for centrifugal and mixed-flow impeller geometries is a coordinate transformation. It is concluded that the CIRCLE method is a new design environment enabling the original design (or redesign) of high-efficiency 2D and 3D turbomachine blades, with direct applications in a variety of energy conversion devices.     

Optimization for a steam turbine stage efficiency using a genetic algorithm

Based on the genetic optimization theory, a design method for the flow path of an axial flow steam turbine stage is presented. In this method the maximum efficiency of the stage is taken as the objective, a series of functions are taken as constraints, and the optimal geometric and aerodynamic parameters are solved using the genetic algorithm process. The efficiency and constraints evaluation are performed using a program for the thermodynamic calculation of steam turbine stages in the design condition. The fitness of each individual is determined by the turbine efficiency and a penalty function containing the constraints. The proposed method is applied to the design of a real steam turbine stage. The results show that the new method successfully reveals the optimal geometric and aerodynamic parameters of the stage for maximum efficiency.     

小型变桨距风力机的气动优化设计

基于叶素动量理论分析了小型风力机的气动性能分析模型,并提出了叶片的气动优化设计方法.结合叶片制造和应用中的实际要求,设计了10 kW小型变桨距风力机叶片的气动外形.计算结果表明,设计叶片具有良好的气动性能,验证了该设计方法有效实用.     

风力机专用翼型发展现状及其关键气动问题分析

介绍了风力机翼型的设计要求和主要方法,提出了预测翼型气动性能的合理途径,探讨了二维翼型气动数据的三维旋转修正问题。     

基于小样本神经网络与多约束的风力机翼型快速优化设计

针对神经网络模型可以基于现有数据快速准确地预测风力机翼型的气动性能,但大量学习样本的构建需要较高的时间成本的问题,建立基于小样本集的风力机翼型神经网络模型,提出了多约束条件下的翼型气动性能优化设计方法,解决了训练数据过少所造成的学习不充分问题。基于建立的优化设计模型,应用粒子群算法完成了NACA4415翼型的优化设计,将新翼型与原始翼型进行气动特性对比分析。结果表明：新翼型在主要工作攻角范围内最大升力系数提高了6.96%,最大升阻比提高了7.37%,气动性能明显改善;该方法的优化效率远远高于传统方法,从而验证了该方法的可行性。