航空軸流渦輪的多級(jí)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及氣動(dòng)性能研究.pdf

1、渦輪作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，其性能的改進(jìn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的提高有著至關(guān)重要的影響。氣動(dòng)設(shè)計(jì)是渦輪設(shè)計(jì)的核心，沒有高水平的氣動(dòng)設(shè)計(jì)就沒有高水平的渦輪性能。過去大量采用傳統(tǒng)的準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)方法，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷成熟，近年來，基于優(yōu)化理論的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法逐漸興起，并且吸引了國(guó)內(nèi)外同行學(xué)者的研究興趣。但是將現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)與準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)這兩種方法聯(lián)合起來對(duì)渦輪進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，目前還很少見到。本文的主要工作就是研究聯(lián)合應(yīng)用準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)和現(xiàn)代自動(dòng)

2、優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)多級(jí)渦輪進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。
　　本文首先通過比較包括現(xiàn)代自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的渦輪氣動(dòng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)體系的優(yōu)缺點(diǎn)，提出將現(xiàn)代自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有機(jī)結(jié)合能有效地進(jìn)行渦輪葉型的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用四級(jí)軸流試驗(yàn)渦輪的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了應(yīng)用 Numeca商用軟件模擬不同工況下多級(jí)渦輪內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值結(jié)果的可靠性。
　　為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)與自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合，本文編制了多級(jí)軸流渦輪氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，此流程包括準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)

3、過程和多級(jí)局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)過程。準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)主要是S2流面正問題計(jì)算，通過準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，初步提高性能，確定總體參數(shù)，為下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。然后采用多級(jí)局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，通過提高局部性能來提高總體性能。局部?jī)?yōu)化過程聯(lián)合采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法，流場(chǎng)計(jì)算采用全三維粘性流 N-S方程求解。局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)有三個(gè)特點(diǎn)：（1）.針對(duì)每列葉柵的氣動(dòng)特性進(jìn)行局部?jī)?yōu)化；（2）.各列葉柵反復(fù)多次優(yōu)化；（3）.粗細(xì)網(wǎng)格交替使用進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算?？偟膩碚f，此

4、設(shè)計(jì)流程可以發(fā)揮兩種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)，在不需要較多人力和時(shí)間的情況下完成設(shè)計(jì)。應(yīng)用此設(shè)計(jì)流程分別對(duì)氣冷渦輪級(jí)、三級(jí)渦輪和四級(jí)高負(fù)荷低壓渦輪進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，總體性能均獲得了不同程度的提高。
　　通過分析近年來的典型渦輪損失模型，找到了影響各種損失主要因素的相關(guān)參數(shù)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，合理調(diào)整這些參數(shù)能夠較大幅度地降低總流動(dòng)損失，在此基礎(chǔ)上，本文提出了局部?jī)?yōu)化的組合優(yōu)化參數(shù)群的概念。組合優(yōu)化參數(shù)群分別由葉型優(yōu)化參數(shù)組、子午流道優(yōu)化參數(shù)組、

5、積疊規(guī)律優(yōu)化參數(shù)組以及優(yōu)化參數(shù)組的組合構(gòu)成。本文給出了各參數(shù)組的建立方法、適用條件以及如何通過流場(chǎng)診斷采用組合優(yōu)化參數(shù)群進(jìn)行局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。
　　最后，本文分析了優(yōu)化設(shè)計(jì)中的兩個(gè)難點(diǎn)問題，它們分別是高負(fù)荷低壓渦輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)和多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)。在進(jìn)行高負(fù)荷低壓渦輪優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要使用適當(dāng)細(xì)的網(wǎng)格。此外，調(diào)整各級(jí)的功率、級(jí)負(fù)荷系數(shù)以及各級(jí)的靜、動(dòng)葉切向升力系數(shù)，使它們?cè)诟骷?jí)中的分布盡量均勻，有利于提高渦輪的總體性能。多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)是多目標(biāo)優(yōu)化