涡轮叶片三维温度场耦合计算

利用接口程序,将西北工业大学自行开发的空气系统流动换热计算程序、涡轮叶片外换热计算程序与商用软件Ansys12.0中的导热计算模块有机集成,实现了涡轮叶片内外表面对流换热与固体导热的耦合计算,从而快速获得涡轮叶片的三维温度场分布。通过计算结果与实验数据的对比分析,验证了所使用计算方法的准确性。所提出的计算方法,可以快速并准确地获得涡轮叶片的三维温度场,对涡轮叶片冷却结构的设计和优化具有重要的工程应用价值。     

基于近似的涡轮冷却叶片外形多学科设计优化

研究多学科耦合作用下的复杂结构快速设计优化技术,解决了涡轮冷却叶片设计优化的高设计成本和数值噪声问题.函数解析与特征造型方法结合造型软件二次开发技术,实现了涡轮冷却叶片几何模型参数化及自动造型;流热耦合分析方法得到准确的气动与传热结果,通过保持与流热耦合分析模型网格节点的一致,将温度、压力等载荷信息精确传递到振动和强度分析模型;根据强度分析结果,采用经验公式方法预测叶片蠕变寿命,实现涡轮冷却叶片的多学科分析.以涡轮叶片叶尖和叶根两个外形截面18个设计参数为变量;优化拉丁超立方方法采样建立样本空间,利用Kriging函数构造快速分析模型;以叶身温度、总压损失和重量最小为优化目标,以共振裕度、应力、寿命和最大变形量为约束,建立高维、非线性设计空间下复杂涡轮冷却叶片涉及气动、传热、强度、振动和寿命等多个学科的多目标设计优化系统,最终实现叶片外形的设计优化,提高叶片的综合性能.     

涡轮叶冠的优化设计技术研究

叶冠作为涡轮叶片的关键结构,直接影响叶片的强度、振动、可靠性、寿命甚至发动机的安全.依据航空发动机叶冠设计的一般准则,结合前人总结的设计经验,设计出适于某发动机涡轮叶片的叶冠.并以iSIGHT为优化平台,集成了结构建模和计算分析软件,构建了叶冠优化设计流程,在此基础上开展了关于涡轮叶冠优化的研究.实例证明,提出的针对叶冠的优化流程是可行的,这也给复杂模型的结构设计优化提供了可供借鉴的方法.     

涡轮叶片一维气动方案多学科优化设计

涡轮叶片设计过程中涉及气动、几何、结构、材料、强度、温度等多个学科,需要用多学科优化设计方法进行涡轮叶片的设计。本文应用iSIGHT软件和基于精化网格法的自编程序分别进行了涡轮叶片一维气动方案设计。通过对iSIGHT软件中不同算法的求解与对比分析,为基于三维精确仿真的涡轮叶片多学科优化设计过程中的优化算法选择提供了参考。应用精化网格法编制的多级涡轮叶片优化设计程序,根据发动机总体提出的性能要求与约束条件,计算得到了多级涡轮热态子午流程通道以及涡轮叶片气动三角形等参数,为基于三维精确仿真的涡轮叶片多学科优化设计提供了初始的设计点。     

燃气涡轮机导片与转子叶片交互作用的非定常流场数值模拟

采用ICEM-CFD软件建构O-H网格系统,分别模拟二种不同的涡轮导片及转子叶片间隙在转动效应下流场结构.模拟的数据与实验值做比较后,发现在涡轮导片及转子叶片流场预测上,已能有效预测流场的边界层流、分离流的发展以及导角叶片与转子叶片间的多震波的流场现象,另外亦能针对涡轮叶片压力总损失及轮机效率加以分析,为涡轮机的改进设计和优化提供了理论依据.     

轴流式涡轮增压器涡轮叶片的优化设计

对轴流式涡轮增压器涡轮叶片进行参数化建模,针对叶片设计提出一种基于多学科的优化方法,并建立一个优化平台.优化平台采用多学科优化设计工具iSIGHT集成NUMECA、ANSYS以及自编的离心应力分析程序,在气动、结构以及振动三个学科内对轴流式增压器涡轮叶片进行化设计.优化的实例表明,这种方法提高了增压器涡轮的整体性能,可以应用在叶片设计以及整个增压器的设计中.     

基于Solidworks平台的涡轮盘专用CAD/CAM系统开发

带冠整体涡轮盘具有高效率、高可靠性等许多优点，其流体通道属半封闭结构，叶片弯扭，叶盆和叶背均是自由曲面，难以加工制造。针对整体涡轮盘的电火花加工方法存在的问题，对Solidworks进行二次开发，建立了一套整体涡轮盘专用CAD／CAM系统，实现了计算机辅助涡轮盘三维重构、电极设计与制造、加工轨迹优化搜索和加工仿真等功能。通过典型零件的加工实例，验证了整体涡轮盘专用CAD／CAM系统的应用性能。     

基于UG的航空发动机涡轮叶片模态分析

基于UG软件对某型航空发动机涡轮叶片的振动特性进行了研究,建立了该叶片的实体模型,并利用UG结构分析模块进行了模态分析,得到了叶片的各阶固有频率和相应的振型.根据计算结果分析了涡轮叶片的振动特性,为该叶片的设计优化和振动安全性检验提供了数值依据.     

涡轮叶片三维气动优化设计

根据五次多项式叶片造型方法进行叶型参数化，得到涡轮叶片的参数化模型，采用N—S方程进行三维流场计算，使用模拟退火算法和序列二次规划算法相结合，以涡轮气动效率为目标进行了优化，优化结果显示涡轮气动效率得到提高。算例表明文中涡轮叶片参数化方法是可靠的，文中提出的叶片三维气动性能优化方法是可行的。     

涡轮叶片位移场模型变形特征解耦方法研究

为了有效提高航空发动机精铸涡轮叶片的成形精度,提出一种涡轮叶片位移场模型的变形特征解耦方法。首先通过对批量叶片进行检测,获取型面数据后与叶片设计模型配准及偏差计算得到叶片精铸位移场;在对精铸位移场进行分析和研究的基础上,确定叶片铸件变形的分布规律。研究精铸涡轮叶片的变形特征,通过位移场的解耦分析把精铸位移场中的任意位移矢量分解成收缩误差变形矢量、弯曲变形矢量、扭转变形矢量。分离出的精铸变形特征可应用于精铸涡轮叶片模具型腔优化过程中,对提高模具型腔的设计质量及涡轮叶片的成形精度具有重要意义。     

变壁厚涡轮冷却叶片参数化造型设计

提出了一种基于函数解析的变壁厚涡轮冷却叶片参数化设计方法。根据叶片外型线上定义的若干参数点,采用三次样条插值方法得到叶片壁面厚度分布函数,再通过计算得到冷却通道型线上离散数据点,在CAD平台下建立了变壁厚涡轮冷却叶片参数化模型。为实现涡轮冷却叶片的自动设计优化和多学科设计优化,获得更佳的叶片设计方案奠定了基础。     

一种基于Fluent与UG的风机叶片反求设计的方法

针对风机叶片进行反求设计.建立叶片坐标系,利用UG获取坐标数据,通过导入Gambit软件,建立空气动力学流场,对其进行网格划分和边界条件的定义等,利用Fluent软件进行CFD计算,得到升力系数和阻力系数的数据;运用Hicks- Henne参数化方法,建立翼型弯度和厚度函数表达式.该研究为叶片的理论研究和优化设计提供了基础.     

AERODYNAMIC OPTIMIZATION FOR TURBINE BLADE BASED ON HIERARCHICAL FAIR COMPETITION GENETIC ALGORITHMS WITH DYNAMIC NICHE

A global optimization approach to turbine blade design based on hierarchical fair competition genetic algorithms with dynamic niche (HFCDN-GAs) coupled with Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equation is presented. In order to meet the search theory of GAs and the aerodynamic performances of turbine, Bezier curve is adopted to parameterize the turbine blade profile, and a fitness function pertaining to optimization is designed. The design variables are the control points' ordinates of characteristic polygon of Bezier curve representing the turbine blade profile. The object function is the maximum lift-drag ratio of the turbine blade. The constraint conditions take into account the leading and trailing edge metal angle, and the strength and aerodynamic performances of turbine blade. And the treatment method of the constraint conditions is the flexible penalty function. The convergence history of test function indicates that HFCDN-GAs can locate the global optimum within a few search steps and have high robustness. The lift-drag ratio of the optimized blade is 8.3% higher than that of the original one. The results show that the proposed global optimization approach is effective for turbine blade.     

航发叶片有限元建模与罩量优化设计系统开发

以ANSYS为计算分析平台,开发了叶片有限元建模与罩量优化设计系统。该系统将叶片的罩量设计理论、有限元数值计算方法以及现代优化设计技术结合起来,形成了叶片有限元建模与罩量优化设计平台,为叶片的快速有限元建模和罩量优化设计提供了一个强有力的高效设计工具。     

A study on an axial-type 2-D turbine blade shape for reducing the blade profile loss

Losses on the turbine consist of the mechanical loss, tip clearance loss, secondary flow loss and blade profile loss etc.,. More than 60 % of total losses on the turbine is generated by the two latter loss mechanisms. These losses are directly related with the reduction of turbine efficiency. In order to provide a new design methodology for reducing losses and increasing turbine efficiency, a two-dimensional axial-type turbine blade shape is modified by the optimization process with two-dimensional compressible flow analysis codes, which are validated by the experimental results on the VKI turbine blade. A turbine blade profile is selected at the mean radius of turbine rotor using on a heavy duty gas turbine, and optimized at the operating condition. Shape parameters, which are employed to change the blade shape, are applied as design variables in the optimization process. Aerodynamic, mechanical and geometric constraints are imposed to ensure that the optimized profile meets all engineering restrict conditions. The objective function is the pitchwise area averaged total pressure at the 30 % axial chord downstream from the trailing edge. 13 design variables are chosen for blade shape modification. A 10.8 % reduction of total pressure loss on the turbine rotor is achieved by this process, which is same as a more than 1 % total-to-total efficiency increase. The computed results are compared with those using 11 design variables, and show that optimized results depend heavily on the accuracy of blade design.     

Integrated aero-structural optimization design of pre-bend wind turbine blades

In the optimization design of a pre-bend wind turbine blade, there is a coupling relationship between blade aerodynamic shape and structural layup. The evaluation index of a wind turbine blade not only shows on conventional ones, such as Annual energy production (AEP), cost, and quality, but also includes the size of the loads on the hub or tower. Hence, the design of pre-bend wind turbine blades is a true multi-objective engineering task. To make the integrative optimization design of the pre-bend blade, new methods for the blade’s pre-bend profile design and structural analysis for the blade sections were presented, under dangerous working conditions, and considering the fundamental control characteristics of the wind turbine, an integrated aerodynamic-structural design technique for pre-bend blades was developed based on the Multi-objective particle swarm optimization algorithm (MOPSO). By using the optimization method, a three-dimensional Pareto-optimal set, which can satisfy different matching requirements from overall design of a wind turbine, was obtained. The most suitable solution was chosen from the Pareto-optimal set and compared with the original 1.5 MW blade. The results show that the optimized blade have better performance in every aspect, which verifies the feasibility of this new method for the design of pre-bend wind turbine blades.

     

液力变矩器叶栅系统三维优化设计方法研究

为实现液力变矩器叶栅系统的完全三维设计及其优化,开发了一套包含束流初值搜索、循环圆与叶形的参数化设计、网格划分、流场分析、试验设计和优化算法在内的三维优化设计系统,并且为各环节开发了相应设计工具。快速的束流初值遗传算法搜索为三维多目标优化提供合理初值;循环圆设计工具可以快速灵活地给出平面分布和几何约束,而后叶形设计分别为泵轮、涡轮和导轮叶片指定叶片角度和加厚形式,空间三维叶片设计整合前面设计结果生成叶片空间姿态,同时在整个叶片成型过程中完全采用参数驱动的形式;为对各个参数对传动性能的影响有准确反映,对设计结果进行了自动的网格划分和数值分析,并将分析结果反馈给优化设计环节以及后续相关部件的有限元分析环节;优化设计采用试验设计与全局优化算法相结合以提高设计的稳健性,加速收敛。通过对D400型液力变矩器的三维优化,得到了一组新的优化叶片,传动特性得到提高、同时减少了设计用时和优化迭代次数,表明叶栅的三维优化设计系统是开发新型性能优良液力变矩器的更为有效和准确的工具。     

风电叶片三维参数建模及振动分析

利用目前风力机叶片设计普遍采用的优化设计方法Wilson设计方法,通过MATLAB编程,开发了小型叶片气动设计的应用程序,并利用该程序设计了一台3kW小型水平轴风力机叶片.采用MATLAB和ANSYS共同建立了风力机叶片三维有限元参数模型,MATLAB编制的建模程序提高了初期设计效率,缩短了ANSYS分析前处理时间.在此基础上进行了叶片固有振动特性计算,分析了叶片的振动特性及其与结构参数之间的关系,分析方法和结果对风电叶片的结构设计和动力分析有一定的参考价值.     

大型风力机叶片的耦合优化方法

为了降低兆瓦级风力机叶片的制造成本,通过耦合叶素动量理论与复合材料欧拉伯努利梁强度设计理论,综合考虑风能效率和成本,以叶片的风能效率成本最小化为优化目标,提出了大型风力发电机叶片的多学科优化设计方法。并基于该方法,对某50 m风力机叶片进行了优化设计。研究结果表明,该方法能够找到风能效率与成本的平衡设计点,叶片风能效率成本比传统设计方法设计的叶片减少了8.84%。