全三维优化技术在IC动力涡轮设计中的应用

采用全三维优化设计技术对间冷循环燃气轮机动力涡轮进行了优化设计。在一维优化、S2流面优化设计的基础上,应用多级局部优化进一步提高总体性能,联合采用人工神经网络和遗传算法对各列叶栅进行三维局部优化,流场计算采用全三维粘性流N-S方程求解,通过优化设计,调整了级的载荷分配,改善了叶片的载荷分布,重新设计的涡轮效率较原型提高了1%。     

多级能量回收水力透平导叶的优化设计

为了提高多级能量回收水力透平的效率,对已有的(DCSGT250-175X9)多级能量回收水力透平模型的流道式导叶进行优化设计.通过对设计的流道式正导叶的压力和速度分布的分析,获悉影响正导叶压力和速度分布的关键因素是其翼型工作面出口段的圆弧半径,由此设计了圆弧半径分别为138、135、134mm的3种方案.通过对这3种正导叶方案的多级能量回收水力透平进行全流道三维湍流的定常数值模拟,分别得到其正导叶的压力和速度分布.经分析、比较可见,正导叶工作面出口段圆弧半径为134mm时的设计方案更符合该多级能量回收水力透平流态和流场分布的要求.据此,再按该透平设计流量要求,优化流道式导叶的外径,并依据数值模拟与性能预测的结果,设计出符合要求且性能较优的多级能量回收水力透平的导叶.导叶优化后的多级能量回收水力透平模型的最高计算效率提高了1.1%,平均效率提高了3.4%.     

现代涡轮钻具结构性能

对目前涡轮钻具的发展方向和国内外各种涡轮钻具的结构、性能特点进行了综合论述，对小级高涡轮级的试验结果进行了分析．     

跨音速涡轮平面叶栅气动性能试验研究

为研究某型涡轮叶片根部截面的平面叶栅在不同攻角和不同马赫数下的气动性能,采用风洞吹风试验对叶栅总损失特性、出口能量损失分布、叶片表面和壁面压力与马赫数分布等气动参数变化情况进行分析.结果表明,叶栅所采用的叶型具有较为明显的后部加载特性,叶栅能量损失在较宽攻角范围内保持较低水平,且随着出口等熵马赫数的变化呈现先减小后增大的变化规律.     

基于奇点分布法的涡轮钻具叶型设计

在高速及小直径涡轮钻具的叶型设计中,采用常规方法难得到令人满意的叶型,而采用奇点分布法来设计涡轮钻具叶型是值得尝试的。根据奇点分布法的设计流程,首先计算了涡轮钻具叶栅的叶片数、绕翼型环量、无穷远处均匀来流速度。其次,选取环量密度分布规律,设计了涡轮钻具的叶型骨线,并采用六次多项式对叶型骨线进行光滑。再次,根据翼型库中翼型的表达方式,研究了沿叶型骨线加厚叶型的方法,得到了有厚叶型,并确定了厚度圆与叶片吸力面和压力面型线的切点计算方法,提供了叶片在制造时的必需坐标点。最后,根据工程数据,设计了某型涡轮钻具的叶型,采用CFD软件对其叶型进行了流场仿真。仿真结果表明叶型性能优良,证明了奇点分布法在涡轮钻具叶型设计中的可行性,特别是对设计高速涡轮钻具更是一种行之有效的方法。     

涡轮叶栅叶顶间隙泄漏流动实验研究

针对一种高负荷涡轮叶栅,利用低速矩形叶栅风洞实验研究叶顶间隙泄漏流动。研究了不同叶顶间隙和不同来流冲角情况下,涡轮叶栅的流场结构和气动性能。研究工况包括无间隙, 0.5%、1.0%、1.5%叶高间隙和±10°、±5°、0°冲角。通过五孔探针获得矩形叶栅出口截面上总压、气流角以及速度分布;通过叶片表面开设的静压孔,获得叶片中部以及靠近叶顶截面的叶片表面静压分布。实验结果表明:叶顶间隙的存在增强了叶栅顶部的二次流动,恶化了上半叶展的流动状况,涡系结构发生了改变。随着叶顶间隙的增大,叶栅总压损失增加,气流偏转不足/过偏现象加剧;随着冲角的增大叶栅总压损失增加。     

水力机械旋成面叶栅杂交命题的变域变分理论

本文通过对水力机械转轮叶片设计理论的研究,针对叶栅杂交命题求解域未定的特点,将叶栅未知边界位置坐标增设为自变量,利用反推法和泛函的变域变分公式建立了任意旋成面叶栅内不可压缩流动A,B,C,D和E类杂交命题的流函数型和势函数型变分原理与广义变分原理。将原来求偏微分方程组的边值问题转化为求一等价泛函的驻值问题,这样可以应用各种变分直接解法进行水力机械转轮叶片的设计、改型和流场分析。     

含缺陷涡轮盘的实际使用寿命计算方法

粉末冶金工艺流程中引入的微缺陷在循环载荷作用下易成为疲劳裂纹萌生点,导致涡轮盘实际使用寿命低于设计使用寿命从而引发灾难性事故。在目前工艺水平无法完全避免粉末冶金缺陷的情况下,为保证我国商用航空发动机能够取得适航认证并进入国际市场,发展并建立含缺陷涡轮盘的实际使用寿命计算方法是十分必要的。在有限元应力分析基础上,根据裂纹附近的周向拉伸应力计算应力强度因子;然后依据Pairs公式,采用逐次循环累加的方式逐步更新裂纹长短轴与裂纹中心坐标来模拟裂纹扩展过程,最后以临界断裂韧度为失效判据建立了含缺陷涡轮盘的实际使用寿命计算方法。以含缺陷一级涡轮盘为对象的实例分析表明,该方法能够根据超声波探伤检测结果计算出含缺陷涡轮盘在发生破裂前的实际使用寿命,以及缺陷形状、尺寸及应力强度因子随飞机起落循环数的变化曲线。使用三维有限元裂纹扩展模拟进行了校核计算,发现本文方法得出的寿命结果偏于保守(相对误差2.82%),且计算效率方面有明显优势。     

涡轮叶栅叶顶间隙泄漏流动实验研究

针对一种高负荷涡轮叶栅,利用低速矩形叶栅风洞实验研究叶顶间隙泄漏流动．研究了不同叶顶间隙和不同来流冲角情况下,涡轮叶栅的流场结构和气动性能．研究工况包括无间隙,0.5%、1.0%、1.5%叶高间隙和±10°、±5°、0°冲角．通过五孔探针获得矩形叶栅出口截面上总压、气流角以及速度分布;通过叶片表面开设的静压孔,获得叶片中部以及靠近叶顶截面的叶片表面静压分布．实验结果表明:叶顶间隙的存在增强了叶栅顶部的二次流动,恶化了上半叶展的流动状况,涡系结构发生了改变．随着叶顶间隙的增大,叶栅总压损失增加,气流偏转不足/过偏现象加剧;随着冲角的增大叶栅总压损失增加．     

基于圆柱面的高负荷叶型设计方法研究

与平面相比,圆柱面能更好地近似涡轮通道内流体流动的路径.因在圆柱面上定义、修改叶型的需要,发展了一种新的三维叶型设计方法.同时探讨了不同于传统二维平面叶栅流场计算方法的三维曲面叶栅流场计算方法.设计与数值模拟结果表明,该方法能快速、高效、可靠地设计出理想的叶型.     

涡轮钻井技术发展现状

本文概括了涡轮钻具和涡轮钻井技术的当代成就和发展前景。石油与天然气钻井正由陆地浅层向深层位及近海区发展,定向井、丛式井钻井日益普遍。在开发应用新技术方面,耐高转速、长寿命的PDC钻头和传递高质量信息的随钻随测技术日益普及。所有这些都为发展高速大功率井下动力涡轮钻井和连续控制井眼轨迹定向钻井技术提供了必要性和可能性。目前,涡轮/PDC钻井经济效益显著。“可控直井涡轮钻具井下控制造斜”为连续控制井眼轨迹定向钻井提供了理想的方法,不仅大大增加了定向钻井速度,降低了每米钻井成本,而且为优化钻井和实现钻井作业自动化创造了良好的条件。     

后加载和高负荷前加载叶型气动性能的试验研究

采用平面叶栅和环形叶栅吹风试验对后加载和高负荷前加载叶型的气动性能进行了详细的测量和研究.在平面叶栅吹风试验中,测量了2种叶型的压力系数分布,研究了攻角、相对栅距、安装角和马赫数的变化对叶型能量损失系数的影响规律.在环形叶栅吹风试验中,测量了2种叶型的近叶顶、中叶高和近叶根处的压力系数分布以及能量损失系数沿叶高的变化规律.对后加载和高负荷前加载叶型的三维成型规律进行了讨论.试验结果表明:高负荷前加载叶型相对于后加载叶型具有更大的负荷特性;高负荷前加载叶型在采用较大的切向弯曲后可以抑制二次流的发展和减少二次流损失;前加载叶型和后加载叶型均具有优良的气动性能.研究结果对于拓宽高性能叶型在汽轮机中的应用提供了理论基础和技术支持.     

涡轮钻具新型叶片型线研究及其计算机辅助设计

分析了液体在涡轮钻具叶片表面流动规律,得出高效率涡轮钻具叶片型线设计应该满足的必要条件.由此提出了一种满足条件的叶片型线模型,并根据叶片的几何关系给出了数学模型的求解方法,为提高现有涡轮钻具的工作效率提供了一种参考叶型.并应用Pro/E进行了三维特征建模,基于这种参数化的模型,直接和高级语言编写的应用程序接口,可实现自动修改实体特征.在此基础上,编制了涡轮钻具叶片设计软件,实现了涡轮钻具叶片的自动设计,提高了涡轮钻具的设计质量和设计效率.     

液力透平的数值计算与试验

设计了液力透平试验台,对一单级液力透平进行了试验,得到了外特性曲线.采用全流场和结构化网格技术对液力透平内部流动进行了数值计算.分析了液力透平在不同流量下的压力场和速度场,得到了内部流场的分布规律.应用速度三角形对液力透平叶轮和尾水管内部速度场随流量变化规律进行了研究.结果表明:离心泵反转可用作透平运行,并具有较高的效率;最高效率的数值计算与试验结果相对误差为4.85％;透平内部的压力从蜗壳进口经叶轮到尾水管逐渐减小,进出口压差随流量增加而逐渐增加;在透平叶片背面和工作面存在漩涡区域,漩涡位置和区域大小随流量而变化;在尾水管横截面上存在的圆周速度分量随流量而变化.     

基于CFD的转轮叶片对虹吸式水轮机水力性能的影响分析

为了更加高效地利用超低水头水力资源,设计了一种采用虹吸式出水流道的轴流式水轮机。针对这一形式的水轮机,在设计水头和额定转速下采用CFD进行三维数值模拟,计算各过流部件的水力损失,研究水轮机的水力性能。通过改变转轮叶片出水边翼形,对比分析转轮出口水流流态与虹吸式出水流道水头损失的关系,研究不同叶片对虹吸式水轮机水力性能的影响。结果表明,在水头、转速和导叶开度相同的情况下,各修改方案中叶片3使得出水流道水头损失较小,其对应的平均涡角为13.26°,出水流道水头损失为0.135 m,水轮机的效率也较高(为89.33%)。此外,选取效率较高的叶片,改变叶片数量,分析其对虹吸式水轮机水力性能的影响。     

水轮机双列环列叶栅流场的边界元分析法

本文以水轮机导水部件流场为研究对象,提出了水轮机双列环列叶栅流场的边界元分析法。经过在计算机上编制程序计算后验证,采用该方法的计算结果与实验结果比较吻合,并且速度快,精度高。利用该方法可以对水轮机双列环列叶栅流场进行预测与筛选,流场计算结果可作为分析水流流态和评价通流部件设计方案的一个依据。     

减速涡轮深部防斜打快技术

超深小井眼机械钻速低和井斜控制难度大等问题制约了西部地区深层油气藏的开发。在分析国内外防斜打快技术的研究及应用现状基础上,提出减速涡轮防斜打快技术,并研制小尺寸减速涡轮钻具。现场试验表明:减速涡轮复合钻井技术提速效果明显,与试验井TH12509上下邻井段转盘钻井相比,机械钻速提高90%～150%;与邻井同井段转盘钻井相比,机械钻速提高1.2～1.7倍,井斜角从入井时的2.66°(5.89 km)降至0.33°(6.225 km),为西部超深小井眼防斜打快提供了一种新的技术途径。     

运用AutoCAD和Excel辅助水轮机的水力设计

利用AutoCAD和Excel软件探讨实现水轮机水力设计的技术方法.传统的工程设计方法存在着重复的数据计算与绘图,工作量大、效率低,精度差和周期长的缺陷,若采用先进的设计方法,其性能还有进一步提升的空间.利用AutoCAD和Excel软件可以实现混流式转轮轴面流道、轴面流线和轴面截线的绘制,以及蜗壳的辅助水力设计等.该方法可以提高设计精度和水力模型的性能,缩短水力模型的开发时间,降低成本与设计人员的劳动强度.     

低比转速混流式水轮机转轮上冠型线的优化方法

通过混流式水轮机转轮上冠型线的优化,以提高水轮机效率为目的,基于ISIGHT软件集成GAMBIT和ANSYS FLUENT16.0软件,采用实验设计的最优拉丁超立方(optimal Latin hypercube, OLH)方法提出了80组设计方案.然后运用ANSYS FLUENT16.0软件对各方案进行数值计算,以设计工况下的水轮机效率为目标函数,进而用响应面方法(response surface method,RSM)得到近似模型.最后结合粒子群优化(PSO)算法进行自动优化设计,提出一种低比转速混流式水轮机转轮上冠型线的优化设计方法.该方法应用于模型混流式水轮机转轮上冠型线的优化设计,结果表明:优化后水轮机水力效率提高0.35%,从而为混流式水轮机转轮上冠型线的优化设计提供了合理有效的途径.     

水力振荡器流道口形状对阀前后脉冲压力幅值影响规律研究

水力振荡器流道口过流面积的周期性改变可以产生周期性压力脉冲周期性压力脉冲传到振荡短节,在蝶形弹簧的作用下,使振荡短节外壳产生周期性的轴向振动,从而使钻柱与井壁的静摩擦变为动摩擦,有效降低了摩阻,提高了钻压传递效率和钻进速度。水力振荡器的振荡效果很大程度上取决于轴向冲击力的大小和变化频率,即取决于流道口过流面积的变化规律。而在相同条件下不同形状的流道口过流面积的变化规律不同。为了获得更高效的水力振荡器,在一种涡轮式水力振荡器的研究基础上,分别采用矩形流道口、菱形流道口和圆形流道口进行流道口形状优化设计。通过对数值仿真得到的数据进行対比分析,发现菱形流道口的降摩减阻的效果优于另外两种流道口。