基于Bezier曲线的涡轮叶片参数化造型及优化设计

定、转子叶片的结构设计决定着涡轮钻具的工作性能。基于Bezier曲线理论方法,结合Turbosystem系统,提出了一套涡轮叶片参数化造型、性能预测到优化设计的完整数值模拟方法,并与试验数据对比验证了该方法的可行性。以Φ127涡轮钻具为例,基于此数值模拟方法,根据速度场和压力场以及叶片输出特性对叶片进行了优化设计,结果表明,优化改善了涡轮叶片工作时压力面、吸力面的脱流和漩涡现象,输出扭矩平均提升了1.022 N·m,效率平均提高了6.14%,涡轮钻具的整体工作性能得到改善。研究可为涡轮钻具叶片的设计和优化提供新的思路和科学依据。     

井下涡轮发电机叶片改型与优化设计

为提高涡轮叶片效率和涡轮发电机的输出功率,提出一种叶片改型与优化设计的方法。分别对导轮型线和涡轮翼型进行改型,通过不同叶型的导轮和涡轮组合的CFD流场分析,研究不同结构的导轮对涡轮性能的影响,从中选择出高效率、大扭矩的叶轮组合,基于BP神经网络和Fmincon函数与遗传算法结合的方法对叶片进行优化分析,并对比试验数据验证了此方法的可行性。优化结果表明单级涡轮的效率增加了4.74%,最大工作效率由初始的64.824%提高至79.4%,提升了约14.6%,理想输出功率增加了274.7 W。     

涡轮转子外圈轮缘对涡轮钻具性能的影响

为了分析涡轮转子的外圈轮缘对涡轮钻具性能的影响,基于水力驱动涡轮引鞋工具的设计,设计了有、无外圈轮缘两种不同结构的涡轮转子,从理论上初步分析了其水力性能的不同,并利用数值模拟的方法,验证了理论分析的正确性。经对比分析发现,在最高效率点处有外圈轮缘涡轮转子的转化扭矩、压降和转化效率均大于无外圈轮缘涡轮转子,并且转化扭矩增大20.1%,压降升高8.7%,转化效率提高10.4%。相关研究对实际工程具有一定的指导意义。     

涡轮式膨胀机正交设计及特性分析

以某涡轮式膨胀机为研究对象,开展影响其性能设计参数的研究。以输出功率、旋转扭矩为性能目标,采用正交设计方法,设计了16组方案,基于Fluent研究了转速等设计参数对涡轮式膨胀机输出性能、内部流场的影响,并借助SPSS(Statistical Product and Service Solutions)对仿真结果进行极差分析。结果表明:压力0.8 MPa、温度270 K、转速3000 r/min时,输出功率最大,约为8.76 kW;压力0.8 MPa、温度300 K、转速1500 r/min时,旋转扭矩最大,约为40.63 N·m。为使性能目标同时达到最优,基于多目标优化设计,在合理的范围内择优选取,选定压力0.8 MPa、转速2250 r/min、温度285 K为最佳方案组合,并通过涡轮式膨胀机测试平台完成实验验证。     

多翼离心风机叶片的结构改型设计与试验研究

为了研究翼型叶片结构参数对多翼离心风机性能的影响,本文以某家用抽油烟机为研究对象,结合数值模拟和实验测量的方法,通过改变叶片弦长和相对弯度,对原风机进行改型设计。研究结果表明,适当增大叶片弦长和相对弯度,有利于提高翼型升阻比,减小蜗壳内旋涡区域。分析改进前后风机气动性能和噪声测试结果可知,叶片改型后风机性能得到明显提升,变弦长处理和变弯度处理后风机最大全压效率分别提高4%和5%,低频段平均降噪5.5dB和4.8dB。     

落地扇风叶参数化气动优化设计研究

以某落地扇风叶为研究对象,建立风叶参数化模型,搭建多学科优化设计平台,以风扇风量和扭矩分别为目标开展单目标优化,优化设计变量为翼型安装角、翼型弦长、叶片弯度和叶片积叠线弯度及掠度。采用粒子群优化算法进行寻优,分别得到了不同指标下最优的扇叶配置,并确定了扇叶关键设计参数对扇叶气动性能的设计权重以及影响规律。对风量和扭矩影响最大的都是翼型安装角和弦长,随着翼型安装角和弦长的增大,风量增大,扭矩也增大。     

基于Fluent的微型排气回收高效节能涡轮设计

微型涡轮是气缸排气能量回收转换装置的核心部件。为了分析不同工作条件下微型涡轮所受压力、扭矩以及蜗壳内的流场分布情况,通过实验及Fluent仿真模拟,深入研究了不同涡轮叶片数量、不同风帽形式下对微型涡轮叶片表面分布压力、扭矩及蜗壳内流场分布情况的影响规律,进而设计一种使涡轮叶片所受压力均匀,产生大扭矩的微型涡轮结构,并给出了涡轮叶片数量与所受压力及所输出扭矩的函数关系,为进一步微型涡轮发电系统集成奠定了理论基础。     

基于MATLAB、Pro/ENGINEER的一种小型涡轮副的设计计算

由于现有涡轮钻具中的涡轮副从尺寸和输出扭矩上都无法满足井下工具的设计要求,所以有必要自主设计一种小型涡轮副。通过分析研究现有涡轮副的设计方法,明确小型涡轮副的设计思路,制定了设计步骤。在设计计算中,将运算过程编写为M语言程序,利用MATLAB对多组设计参数进行处理,得到涡轮叶片数、动力液排量、涡轮副数目三者之间的关系,并根据实际工况,确定涡轮副的最优结构参数:叶片进口结构角β1k=115°、叶片出口结构角β2k=64°、叶片安装角βm=71°、叶片数z=14。根据叶片的结构参数利用CAD绘制叶片截面,然后借助Pro/ENGINEER对其进行三维建模。本文的设计计算过程条理清晰,可以做为小型涡轮副的设计计算模型,供设计人员参考。     

一种涡轮钻具叶片叶型参数化设计方法

涡轮钻具是一种重要的钻井工具,涡轮叶片的型线设计对涡轮钻具的性能影响很大。提出了一种涡轮钻具叶片二维叶型参数化设计方法,及阐述了参数化特征造型的思路并提出三次曲线作为叶片型线模型,并根据叶片的几何特征关系给出了模型的求解方法及叶片造型的关键步骤。结合设计实例并完成叶型的参数化造型,从而对该设计方法的可行性进行了验证。该方法对涡轮钻具产品的优化设计具有参考价值,也可应用于其它一些叶片结构件的参数化设计,具有较好的工程应用性。     

一种机翼型叶片冲击式涡轮设计与试验研究

因某项目要求,原有轴流式螺旋线叶片涡轮已不能满足井下发电机的性能要求。笔者在涡轮机械一元流理论基础上进行机翼型叶片冲击式涡轮设计,用CFD软件对涡轮进行了全三维模型数值模拟和力学性能预测。通过合理调整相关参数满足流道、叶片型线和喉部折转角的检验要求,获得满足要求的井下涡轮机械性能。台架试验表明,试验结果与仿真预测结果一致,满足设计要求。     

基于钝尾缘翼型叶片的三维风力机性能分析

随着风力机向大型化发展,为有效提升风力机叶片的性能以及结构强度,将钝尾缘翼型应用于风力机叶片设计。以NACA639XX系列翼型为基准翼型,通过Hicks-Henne型函数和钝尾缘函数对翼型进行参数化拟合,使用多岛遗传算法优化得到层流钝尾缘翼型族(USST-XXX)。将此翼型族中相对厚度为21%的USST-211翼型与NACA63921层流翼型替换NREL PhaseVI叶片截面的S809翼型,建模得到两种三维风力机叶片,采用数值模拟的方法,对这两种叶片不同风速下的流场进行分析,并与NREL Phase VI风力机叶片的气动性能进行对比。数值模拟结果表明,在额定风速附近,采用层流钝尾缘翼型所构造的新叶片风力机的风能利用系数高于其他两种叶片。研究结果表明优化得到的层流钝尾缘翼型族可以有效提升风力机气动性能,在大型水平轴风力机叶片设计方面具有良好的应用前景。     

Enhancement of wind turbine aerodynamic performance by a numerical optimization technique

Sectional aerodynamic design optimization was performed to enhance the aerodynamic performance of horizontal axis wind turbine rotor blades based on a computational fluid dynamics technique. The proposed sectional optimization framework consists of airfoil section contour modeling by the PARSEC shape function and a modified feasible direction search algorithm. To enhance the aerodynamic performance of wind turbine rotor blades, the objective of the design framework was set to maximize the lift-over-drag ratio for each design section. A two-dimensional Navier-Stokes flow solver coupled with a transition turbulence model was used to evaluate the aerodynamic performance during the iterative design optimization procedure. The sectional flow conditions were extracted from the flow of a three-dimensional rotor blade configuration. The design framework was applied to the National Renewable Energy Laboratory Phase VI rotor blade. The design optimization was conducted at nine spanwise sections of the rotor blade. To validate the present methodology, the aerodynamic performances of the original baseline rotor and the rotor after the design optimization were compared by using a three-dimensional Navier-Stokes flow solver. It was found that approximately 11% of torque enhancement was achieved after the aerodynamic shape design optimization.     

非对称可逆轴流风机S型翼型的设计与性能研究

S型叶片是可逆风机中较理想的叶片型式.在前人研究的基础上,本文采用NACA系列叶片作为原始翼型,设计出多种新型不对称双头双机翼S型翼型.分析这几种可逆式轴流风机翼型的数值模拟结果,比较流场分布规律,寻找到一种适合于设计工况下正、反双向吹风的地铁用可逆式轴流风机翼型.     

一种星敏感器系统热设计方法及试验验证

目前,国内机构针对星敏感器的温控研究与设计较少,多集中于星图的图像处理和图像算法的优化。着重以星图中目标能量变化、信噪比、质心定位误差等参数为指标,分析温度对该星敏感器的热影响,从而实现高精度星敏感器在空间复杂热环境下的可靠应用。进一步基于星敏感器的结构及热分布,对星敏感器进行热设计及散热路径优化,提出星敏感器热电制冷器（Thermo electric cooler,TEC）的热控措施。以典型在轨高温工况与低温工况为例,利用有限元仿真软件进行该热设计的有效性与合理性仿真分析。在以上的设计与分析基础上,完成一套温度控制系统,通过模拟星敏感器在高温工况下的环境条件,使用热电制冷方式对星敏感器采取制冷措施,使星敏感器探测器温度维持在20℃±3℃,达到温控指标,保证星敏感器能够在恶劣温度环境下持续提供高精度姿态信息。重点阐明热环境因素与成像质量之间的关系,完成温度与星点识别精度的关联性分析,为后续星敏感器热控设计及定姿精度提升提供参考。     

液力变矩器叶栅系统的三维建模

液力变矩器要求具有良好的动力性和经济性,叶栅系统的设计是液力变矩器设计的关键,直接影响液力变矩器的性能。探讨了液力变矩器叶片三维建模方法,提出了建模方法的基本设计流程。以投影于多圆柱面的等角射影原理为基础,建立了液力变矩器叶栅系统的数学模型。通过求解流线上各分点的坐标,确定叶片在剖分面上的形状,利用直纹面将其连接,从而直接生成叶片形状。这种模型为液力变矩器叶栅系统的设计制造提供了方便,可用于三维流场的数值分析和叶片的快速成型。     

叶片后缘加厚对轴流风机性能的影响

为解决NACA65系列翼型叶片后缘轮廓线内切圆半径收敛至0引起的铸造工艺问题,采用三次多项式函数生成叶片后缘厚度函数,精确调整叶片后缘末端厚度.基于Ansys软件对不同叶片后缘厚度的风机进行流体仿真,并分析其气动性能与静力结构特性.结果表明叶片后缘增厚使得叶片附面层分离损失增加,尾迹与叶栅主流区的掺混损失增大.叶片载荷...     

S型叶片可逆式轴流风机的全三维优化设计

可逆风机在正向与反向送风时,都希望具有良好的气动性能。由于几何形状完全对称,S型叶片是可逆风机中比较理想的叶片。以NACA4数字系列叶型的前半部分为雏形,构造出气动性能良好的S型叶片。用三维雷诺平均Navier Stokes方程的计算流体力学方法,将叶型参数、扭转角和安装角作为设计参数,应用正交优化方法,对S型叶片的可逆式轴流风机通流部分进行优化设计,在满足风量、风压要求的前提下,获得最高的流动效率,取得了良好的设计效果。     

CFD investigation on the flatback airfoil effect of 10 MW wind turbine blade

The flatback airfoil effect on the inboard region of a large wind turbine blade was investigated by numerical analysis. Complicated flow phenomena in wind turbine blade with flatback and non-flatback airfoil were captured by Reynolds-averaged Navier–Stokes flow simulation with shear stress transport turbulence model. Although both airfoil blades were designed using blade element momentum theory to produce identical shaft power, results of three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) flow analysis indicated that at a specific location of the root area, the flatback airfoil improved the inboard force by approximately 6 % compared with the non-flatback airfoil. We were also able to confirm that by using the flatback airfoil, the overall shaft power throughout the blade increased by 1 %, thereby restraining the bending moment exerted by the thrust force on the hub by 0.5 %. Moreover, numerical analysis results indicated that the flatback airfoil blade reduced the size of the secondary vortex around the blade root area and its progress in the secondary direction in comparison with the non-flatback airfoil blade. The shape of the flatback airfoil on the trailing edge weakened the adverse pressure gradient migrating from the lower to the upper surface. Regardless of the flatback airfoils, the tip vortex core of the outboard region formed on the suction surface leading edge and strongly rolled up by the pressure surface boundary layers due to the large pressure difference between the suction and pressure surfaces in the blade tip region. This remarkable strong tip vortex developed downstream and raked up the boundary layer of the blade trailing edge with low energy.     

Design optimization of wind turbine blades for reduction of airfoil self-noise

To reduce airfoil self-noise from a 10 kW wind turbine, we modified the airfoil shape and planform of a wind turbine blade. To obtain the optimal blade design, we used optimization techniques based on genetic algorithms. The optimized airfoil was first determined based on a section of the rotor blade, and then the optimized blade was designed with this airfoil. The airfoil self-noise from the rotor blades was predicted by using a semi-empirical model. The numerical analysis indicates that the level of the airfoil self-noise from the optimized blade is 2.3 dB lower than that from the baseline blade at the rated wind speed. A wind tunnel experiment was also performed to validate the design optimization. The baseline and optimized rotors were scaled down by a factor of 5.71 for the wind tunnel test. The experimental results showed that airfoil self-noise is reduced by up to 2.6 dB.     

可逆式轴流风机叶片设计新方案的探讨

重点探讨了正反向性能完全相同的可逆式轴流风机叶片设计新方案。首先,通过对现阶段可逆式轴流风机叶片性能试验数据的分析比较,得出已有的和正在研究的正反向性能相同的双对称叶型并不能令人满意的结论,由此论述了正反向最大升力系数值可望提高１０％以上的指标及其途径;其次,提出了一种正反向组合叶片的全新的设想。它具有可以充分利用现成、成熟叶型等众多优点,还可望继续提高其性能指标;第三,对应用正向前弯动叶片的可行性论证表明,在保证射流风机正反向推力相等的前提下,正向最大升力系数值可望进一步提高１０％以上。