地面重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)高性能葉型優(yōu)化設(shè)計(jì)及流動(dòng)機(jī)理研究.pdf

1、近年來(lái)國(guó)內(nèi)外流行的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為葉型設(shè)計(jì)提供了新的思路。優(yōu)化設(shè)計(jì)是將葉型的幾何形狀進(jìn)行參數(shù)化，性能表達(dá)成隨設(shè)計(jì)參數(shù)而變化的目標(biāo)函數(shù)。設(shè)計(jì)過(guò)程就是根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù),選擇設(shè)計(jì)參數(shù)使性能最佳，該設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)自動(dòng)化過(guò)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(jī)葉型設(shè)計(jì)中，建立可用于重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的二維氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。該設(shè)計(jì)平臺(tái)在優(yōu)化設(shè)計(jì)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(chǎng)計(jì)算分析軟件 CFX以及后處理軟件組成。在優(yōu)化的過(guò)程中，非設(shè)計(jì)工況和喘振邊界是設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。所以本優(yōu)化平臺(tái)目標(biāo)函數(shù)的選取綜合考慮設(shè)計(jì)點(diǎn)總壓損失低，工作范圍寬廣，喘振邊界合理，較小沖角變化時(shí)損失低并且變化平穩(wěn)等因素，進(jìn)行變工況多目標(biāo)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期達(dá)到葉型綜合性能的改善。
　　在葉輪機(jī)械中，轉(zhuǎn)捩對(duì)壓氣機(jī)的性能影響較大，主要因?yàn)檗D(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(dòng)結(jié)構(gòu)、流速分布、壁面切應(yīng)力和

3、換熱系數(shù)等均不相同，一方面轉(zhuǎn)捩流動(dòng)的這些特征直接影響著流體機(jī)械的動(dòng)力特性，為了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)流體機(jī)械的動(dòng)力性能，必須明確邊界層內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)，另一方面通過(guò)有效的控制轉(zhuǎn)捩起始點(diǎn)、轉(zhuǎn)捩區(qū)長(zhǎng)度，可以大大地改善流動(dòng)效率，提高設(shè)計(jì)水平。在地面重型燃?xì)廨啓C(jī)的中間和后面級(jí)中，雷諾數(shù)和來(lái)流湍流度都較高，對(duì)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(jì)過(guò)程中，應(yīng)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?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)氣體在高雷諾數(shù)及高

4、湍流度下轉(zhuǎn)捩帶來(lái)的影響，以使計(jì)算結(jié)果能夠充分的反應(yīng)葉輪機(jī)械內(nèi)氣體的實(shí)際流動(dòng)，從而得到可信的結(jié)果。
　　本文以某地面重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)第七級(jí)靜葉中徑葉型為研究對(duì)象，考慮轉(zhuǎn)捩的影響，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)葉型進(jìn)行變工況多目標(biāo)優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在葉型負(fù)荷高于原型的情況下，目標(biāo)函數(shù)明顯降低，在變工況運(yùn)行條件下，工作范圍變得寬廣，損失相對(duì)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(yīng)用到半葉高直葉片上，使用CFX軟件對(duì)原