具有氣膜及氣熱耦合優(yōu)化功能的渦輪氣動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)設(shè)計(jì)帶來(lái)難度，影響了氣冷渦輪氣動(dòng)性能進(jìn)一步提升。傳統(tǒng)的多個(gè)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(dòng)設(shè)計(jì)初期缺乏對(duì)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(dòng)設(shè)計(jì)的性能。針對(duì)氣冷渦輪的氣動(dòng)優(yōu)化工

2、作也是如此，缺乏對(duì)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(duì)現(xiàn)代氣冷渦輪的氣動(dòng)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(duì)上述問(wèn)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(gè)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(guò)程中，對(duì)渦輪的氣動(dòng)與傳熱進(jìn)行一定分析，對(duì)設(shè)計(jì)思想進(jìn)行一定總結(jié)。
　　本文對(duì)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(duì)大冷氣量渦輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化初期中無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估氣膜冷卻與冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)性能的影響，針對(duì)此

3、問(wèn)題建立針對(duì)氣冷渦輪的考慮氣膜冷卻的葉片三維氣動(dòng)優(yōu)化平臺(tái)以及三維氣熱耦合優(yōu)化平臺(tái)。采用設(shè)計(jì)體系對(duì)5個(gè)渦輪進(jìn)行一維方案的設(shè)計(jì)、核算及優(yōu)化，對(duì)6個(gè)渦輪進(jìn)行 S2方案的設(shè)計(jì)、核算與優(yōu)化，并對(duì)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(kāi)發(fā)工作進(jìn)行一定積累，并通過(guò)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(tái)過(guò)程對(duì)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(duì)氣動(dòng)效率以及對(duì)傳熱效果的影響。提出了采用消散函數(shù)對(duì)氣冷渦輪損失進(jìn)行評(píng)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(duì)損失進(jìn)行評(píng)估可消除冷氣影響，更準(zhǔn)確判斷損失分布，反映氣體流動(dòng)情況。
　　本文應(yīng)用渦輪分層設(shè)計(jì)優(yōu)化體系對(duì)某船用五級(jí)動(dòng)力渦輪進(jìn)行了完整的氣動(dòng)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(dòng)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(guò)了試驗(yàn)的檢驗(yàn)，單列動(dòng)葉的試驗(yàn)表明其各個(gè)攻角下的

5、損失顯著下降，對(duì)第一級(jí)渦輪的試驗(yàn)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，文中對(duì)多級(jí)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(duì)某民用航空高壓渦輪進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，通過(guò)三維計(jì)算對(duì)氣動(dòng)效率與傳熱效果進(jìn)行初步評(píng)估與調(diào)整，驗(yàn)證了氣動(dòng)與傳熱設(shè)計(jì)的合理性并對(duì)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(duì)通過(guò)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(dòng)優(yōu)化平臺(tái)，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(tái)對(duì)某氣冷渦輪的靜葉、動(dòng)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(dòng)效率及傳熱效果均取得良好的果；對(duì)某小流量發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪進(jìn)行了整級(jí)多目標(biāo)優(yōu)化，氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)效率提升則是由于靜葉內(nèi)激波

7、損失下降以及動(dòng)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(duì)氣動(dòng)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(duì)氣動(dòng)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(tái)，同樣采用 Pareto解集形式體現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果；采用該平臺(tái)對(duì)存在簡(jiǎn)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(dòng)效率提升的同時(shí)有效解決了尾緣燒蝕的問(wèn)題。對(duì)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