具有氣膜及氣熱耦合優(yōu)化功能的渦輪氣動設(shè)計(jì)體系研究.pdf

1、渦輪作為燃?xì)廨啓C(jī)的重要部件，其性能的優(yōu)劣對燃?xì)廨啓C(jī)性能有著至關(guān)重要的影響。在目前追求發(fā)動機(jī)大推重比與高效率的要求下，由燃?xì)廨啓C(jī)熱循環(huán)可知，要達(dá)到這一目標(biāo)需大幅提升渦輪前燃?xì)獬鯗?，這導(dǎo)致了冷卻氣體用量增加，為氣動設(shè)計(jì)帶來難度，影響了氣冷渦輪氣動性能進(jìn)一步提升。傳統(tǒng)的多個學(xué)科孤立的設(shè)計(jì)流程同樣不利于現(xiàn)代氣冷渦輪的設(shè)計(jì)，在氣動設(shè)計(jì)初期缺乏對傳熱設(shè)計(jì)的考慮，最終傳熱設(shè)計(jì)引入的冷氣以及邊界條件變化影響了最初氣動設(shè)計(jì)的性能。針對氣冷渦輪的氣動優(yōu)化工

2、作也是如此，缺乏對傳熱設(shè)計(jì)的考慮，影響了最終結(jié)果的可信度與實(shí)用性。因此，針對現(xiàn)代氣冷渦輪的氣動型線設(shè)計(jì)與冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)緊密耦合。本文針對上述問題完善了氣冷渦輪設(shè)計(jì)體系，應(yīng)用設(shè)計(jì)體系進(jìn)行多個渦輪設(shè)計(jì)與優(yōu)化，驗(yàn)證其實(shí)用性，在設(shè)計(jì)與優(yōu)化過程中，對渦輪的氣動與傳熱進(jìn)行一定分析，對設(shè)計(jì)思想進(jìn)行一定總結(jié)。
　　本文對設(shè)計(jì)體系進(jìn)行了完善與應(yīng)用，原設(shè)計(jì)體系在對大冷氣量渦輪的氣動設(shè)計(jì)與優(yōu)化初期中無法準(zhǔn)確評估氣膜冷卻與冷卻結(jié)構(gòu)對氣動性能的影響，針對此

3、問題建立針對氣冷渦輪的考慮氣膜冷卻的葉片三維氣動優(yōu)化平臺以及三維氣熱耦合優(yōu)化平臺。采用設(shè)計(jì)體系對5個渦輪進(jìn)行一維方案的設(shè)計(jì)、核算及優(yōu)化，對6個渦輪進(jìn)行 S2方案的設(shè)計(jì)、核算與優(yōu)化，并對上述不同類型渦輪的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析與總結(jié)，為后續(xù)研究與開發(fā)工作進(jìn)行一定積累，并通過該部分工作驗(yàn)證設(shè)計(jì)體系中方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化部分的工程實(shí)用性。
　　本文研究了建立平臺過程對氣冷渦輪計(jì)算精度存在影響的因素，其中包括多組分、熱輻射、壁面邊界條件以

4、及葉型積迭位置調(diào)整對氣動效率以及對傳熱效果的影響。提出了采用消散函數(shù)對氣冷渦輪損失進(jìn)行評估的方式，與采用熵增、總壓損失系數(shù)以及能量損失系數(shù)的方式相比，采用消散函數(shù)對損失進(jìn)行評估可消除冷氣影響，更準(zhǔn)確判斷損失分布，反映氣體流動情況。
　　本文應(yīng)用渦輪分層設(shè)計(jì)優(yōu)化體系對某船用五級動力渦輪進(jìn)行了完整的氣動設(shè)計(jì)與優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)點(diǎn)具有良好氣動性能并且具有平穩(wěn)的變工況特性，該設(shè)計(jì)方案經(jīng)過了試驗(yàn)的檢驗(yàn)，單列動葉的試驗(yàn)表明其各個攻角下的

5、損失顯著下降，對第一級渦輪的試驗(yàn)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，文中對多級渦輪的設(shè)計(jì)流程與設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了總結(jié)；應(yīng)用設(shè)計(jì)體系對某民用航空高壓渦輪進(jìn)行氣動設(shè)計(jì)與優(yōu)化，通過三維計(jì)算對氣動效率與傳熱效果進(jìn)行初步評估與調(diào)整，驗(yàn)證了氣動與傳熱設(shè)計(jì)的合理性并對設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行一定總結(jié)。文中渦輪最終設(shè)計(jì)方案的確定以三維設(shè)計(jì)為準(zhǔn)，設(shè)計(jì)體系中后續(xù)模塊始終對通過前一模塊所得的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行一定修正。
　　文中建立了考慮氣膜冷卻的渦輪氣動優(yōu)化平臺，其中包括優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以及變量

6、選取原則，充分利用多目標(biāo)優(yōu)化中Pareto解集的形式體現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果，為設(shè)計(jì)人員提供不同設(shè)計(jì)需求的方案，為設(shè)計(jì)提供更大自由度；采用該平臺對某氣冷渦輪的靜葉、動葉進(jìn)行了以葉型和氣膜孔參數(shù)為變量的多目標(biāo)優(yōu)化，氣動效率及傳熱效果均取得良好的果；對某小流量發(fā)動機(jī)的高壓渦輪進(jìn)行了整級多目標(biāo)優(yōu)化，氣動效率和傳熱效果得到改善。流道內(nèi)葉型損失與橫向二次流損失下降是單列葉片氣動效率提升主要因素，文中小流量、大膨脹比、低展弦比渦輪氣動效率提升則是由于靜葉內(nèi)激波

7、損失下降以及動葉壓力側(cè)分離形式與位置變化導(dǎo)致。文中總結(jié)了部分造型參數(shù)對氣動性能的影響，分析了葉片前緣附近氣膜孔沿葉高向下的復(fù)合角度對氣動性能以及傳熱效果的影響。
　　最后本文建立了氣冷渦輪氣熱耦合優(yōu)化平臺，同樣采用 Pareto解集形式體現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果；采用該平臺對存在簡單冷卻結(jié)構(gòu)的某渦輪靜葉葉型和積迭規(guī)律進(jìn)行氣熱耦合條件下多目標(biāo)優(yōu)化，在氣動效率提升的同時有效解決了尾緣燒蝕的問題。對于文中小徑高比葉片，激波損失以及二次流損失的降低是氣