具有氣膜及氣熱耦合優(yōu)化功能的渦輪氣動設計體系研究.pdf

1、渦輪作為燃氣輪機的重要部件，其性能的優(yōu)劣對燃氣輪機性能有著至關重要的影響。在目前追求發(fā)動機大推重比與高效率的要求下，由燃氣輪機熱循環(huán)可知，要達到這一目標需大幅提升渦輪前燃氣初溫，這導致了冷卻氣體用量增加，為氣動設計帶來難度，影響了氣冷渦輪氣動性能進一步提升。傳統(tǒng)的多個學科孤立的設計流程同樣不利于現(xiàn)代氣冷渦輪的設計，在氣動設計初期缺乏對傳熱設計的考慮，最終傳熱設計引入的冷氣以及邊界條件變化影響了最初氣動設計的性能。針對氣冷渦輪的氣動優(yōu)化工

2、作也是如此，缺乏對傳熱設計的考慮，影響了最終結果的可信度與實用性。因此，針對現(xiàn)代氣冷渦輪的氣動型線設計與冷卻結構設計應緊密耦合。本文針對上述問題完善了氣冷渦輪設計體系，應用設計體系進行多個渦輪設計與優(yōu)化，驗證其實用性，在設計與優(yōu)化過程中，對渦輪的氣動與傳熱進行一定分析，對設計思想進行一定總結。
　　本文對設計體系進行了完善與應用，原設計體系在對大冷氣量渦輪的氣動設計與優(yōu)化初期中無法準確評估氣膜冷卻與冷卻結構對氣動性能的影響，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。采用設計體系對5個渦輪進行一維方案的設計、核算及優(yōu)化，對6個渦輪進行 S2方案的設計、核算與優(yōu)化，并對上述不同類型渦輪的設計特點以及設計參數(shù)進行分析與總結，為后續(xù)研究與開發(fā)工作進行一定積累，并通過該部分工作驗證設計體系中方案設計與優(yōu)化部分的工程實用性。
　　本文研究了建立平臺過程對氣冷渦輪計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)對損失進行評估可消除冷氣影響，更準確判斷損失分布，反映氣體流動情況。
　　本文應用渦輪分層設計優(yōu)化體系對某船用五級動力渦輪進行了完整的氣動設計與優(yōu)化，最終設計方案在設計點具有良好氣動性能并且具有平穩(wěn)的變工況特性，該設計方案經過了試驗的檢驗，單列動葉的試驗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達到了設計要求，文中對多級渦輪的設計流程與設計思想進行了總結；應用設計體系對某民用航空高壓渦輪進行氣動設計與優(yōu)化，通過三維計算對氣動效率與傳熱效果進行初步評估與調整，驗證了氣動與傳熱設計的合理性并對設計特點進行一定總結。文中渦輪最終設計方案的確定以三維設計為準，設計體系中后續(xù)模塊始終對通過前一模塊所得的設計方案進行一定修正。
　　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)化目標函數(shù)以及變量

6、選取原則，充分利用多目標優(yōu)化中Pareto解集的形式體現(xiàn)優(yōu)化結果，為設計人員提供不同設計需求的方案，為設計提供更大自由度；采用該平臺對某氣冷渦輪的靜葉、動葉進行了以葉型和氣膜孔參數(shù)為變量的多目標優(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)動機的高壓渦輪進行了整級多目標優(yōu)化，氣動效率和傳熱效果得到改善。流道內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激波

7、損失下降以及動葉壓力側分離形式與位置變化導致。文中總結了部分造型參數(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)化結果；采用該平臺對存在簡單冷卻結構的某渦輪靜葉葉型和積迭規(guī)律進行氣熱耦合條件下多目標優(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