地面重型燃氣輪機壓氣機高性能葉型優(yōu)化設(shè)計及流動機理研究.pdf

1、近年來國內(nèi)外流行的優(yōu)化設(shè)計方法為葉型設(shè)計提供了新的思路。優(yōu)化設(shè)計是將葉型的幾何形狀進行參數(shù)化，性能表達成隨設(shè)計參數(shù)而變化的目標函數(shù)。設(shè)計過程就是根據(jù)設(shè)計目標函數(shù),選擇設(shè)計參數(shù)使性能最佳，該設(shè)計過程是一個自動化過程。本文的工作就是從這一方面著手，將優(yōu)化理論引入到壓氣機葉型設(shè)計中，建立可用于重型燃氣輪機壓氣機的二維氣動優(yōu)化設(shè)計平臺。該設(shè)計平臺在優(yōu)化設(shè)計軟件 iSIGTH中集成，由自主開發(fā)的二維葉型造型程序bladeprofile、網(wǎng)格生成軟

2、件 AutoGrid5、流場計算分析軟件 CFX以及后處理軟件組成。在優(yōu)化的過程中，非設(shè)計工況和喘振邊界是設(shè)計的主要目標。所以本優(yōu)化平臺目標函數(shù)的選取綜合考慮設(shè)計點總壓損失低，工作范圍寬廣，喘振邊界合理，較小沖角變化時損失低并且變化平穩(wěn)等因素，進行變工況多目標自動優(yōu)化設(shè)計，以期達到葉型綜合性能的改善。
　　在葉輪機械中，轉(zhuǎn)捩對壓氣機的性能影響較大，主要因為轉(zhuǎn)捩前后的層流邊界層和湍流邊界層在邊界層內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)、流速分布、壁面切應力和

3、換熱系數(shù)等均不相同，一方面轉(zhuǎn)捩流動的這些特征直接影響著流體機械的動力特性，為了準確的預測流體機械的動力性能，必須明確邊界層內(nèi)流動狀態(tài)，另一方面通過有效的控制轉(zhuǎn)捩起始點、轉(zhuǎn)捩區(qū)長度，可以大大地改善流動效率，提高設(shè)計水平。在地面重型燃氣輪機的中間和后面級中，雷諾數(shù)和來流湍流度都較高，對轉(zhuǎn)捩的起始位置和轉(zhuǎn)捩的發(fā)展影響較大，鑒于此在本文的優(yōu)化設(shè)計過程中，應用CFX求解器里的γ-Reθ一方程轉(zhuǎn)捩模型，考慮了地面重型燃氣輪機壓氣機氣體在高雷諾數(shù)及高

4、湍流度下轉(zhuǎn)捩帶來的影響，以使計算結(jié)果能夠充分的反應葉輪機械內(nèi)氣體的實際流動，從而得到可信的結(jié)果。
　　本文以某地面重型燃氣輪機壓氣機第七級靜葉中徑葉型為研究對象，考慮轉(zhuǎn)捩的影響，應用優(yōu)化設(shè)計平臺對葉型進行變工況多目標優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計后，在葉型負荷高于原型的情況下，目標函數(shù)明顯降低，在變工況運行條件下，工作范圍變得寬廣，損失相對于原型有大幅度的降低，且具有一定的喘振裕度。
　　將優(yōu)化后葉型應用到半葉高直葉片上，使用CFX軟件對原