基于遗传算法的离心压缩机蜗壳参数化及多目标优化

排气蜗壳对离心压缩机的整体性能、工作范围有直接且不可忽视的影响.排气蜗壳由于其完全三维的、湍流的内部流动会引起蜗壳进口周向压力畸变,从而影响上游部件的流动稳定性.本工作针对先进压缩空气储能系统离心压缩机排气蜗壳进行多目标优化设计,提出了一种可变截面形状的参数化设计方法.以总压损失系数和静压恢复系数为优化目标变量,采用多个控制面和控制点的方式对离心压缩机蜗壳截面参数进行全周控制,结合最优拉丁超立方试验设计方法和全三维CFD数值方法生成样本空间,利用二代非支配排序遗传算法对Kriging近似模型进行多目标寻优,建立优化平台和优化方法.研究结果表明:优化后的截面形状能够减小通流截面旋涡中心的剪切应力,使排气蜗壳内部通流速度分布更加均匀;优化方案在设计工况下整级等熵效率提高了 0.45％,压比提高了 0.36％;与初始模型相比,优化后的排气蜗壳可以有效改善离心压缩机的整体性能.本研究有助于推动数值优化设计方法在离心压缩机排气蜗壳中的应用,为高性能、低总压损失离心压缩机的优化设计提供参考.     

汽轮机切向进汽蜗壳设计方法研究

采用3种切向蜗壳设计方法对某50 MW机组高压进汽流道进行了切向设计,获得3种形式的切向蜗壳:切向等截面设计、等环量设计以及线性收缩设计。采用数值仿真方法对3种形式的切向蜗壳进行了气动分析,获得了切向蜗壳的气动性能、流场分布等。结果表明:3种形式切向蜗壳的气动性能各不相同,等截面切向蜗壳的总压损失最大,出口均匀性最差,而等环量和线性收缩切向蜗壳的总压损失更小,出口均匀性也更好。其中,等环量设计的总压损失和出口均匀性均为最优。对于汽轮机进汽流道,不同切向进汽设计方法会导致不同的截面积周向变化规律,进一步影响蜗壳的气动性能。因此,汽轮机进汽流道在进行切向设计之前有必要选择适合的切向进汽设计方法。     

离心压气机优化设计与流场仿真分析

采用正问题设计方法设计了一个压比为4.2的离心压气机模型。根据压缩系统边界条件约束,首先进行了一维计算,获取叶轮的轮廓图,然后采用参数化建模方法建立了含分流叶片的三维模型,运用CFX软件对不同叶片稠度下的叶轮气动热力学进行了对比数值计算,分析叶轮内部流场及其性能,最终选定9叶片的叶轮为最佳方案。在扩压器的设计方面,提出了一种叶片高度逐渐增加的有叶扩压器模型,并使用CFX对设计的扩压器模型与普通的扩压器进行了数值计算,定量分析其扩压机理及其总压损失特性,计算结果表明所设计的扩压器扩压效果明显优于普通的扩压器。所得结果可为离心式压气机的气动设计提供理论参考。     

透平末级动叶顶部间隙变化对排气扩压器 气动性能的影响

文章采用数值分析方法研究了透平末级动叶顶部间隙变化对排气扩压器气动性能的影响.结果显示随着叶顶间隙相对值从0%逐渐增大至1.5%,排气扩压器进口气流角和总压逐渐增大,排气扩压器静压恢复性能先提升,然后逐渐下降.     

600MW空冷汽轮机组低压排汽缸流场模拟和结构优化

采用雷诺平均的NS方程和标准的k-ε湍流模型对某空冷汽轮机低压排汽缸进行数值模拟。计算结果显示设计工况下该排汽缸中扩压器出口附近流动发生了分离,导致排汽缸的气动性能不理想。为了改善扩压通道的流场进而提高其气动性能,对扩压器结构进行了优化。优化后的扩压器出口的静压恢复系数比原结构提高了46.5%,总压损失系数分别降低了20.4%。对于排汽缸,其出口的静压恢复系数提高了137.7%,总压损失系数降低了30.6%。由此说明优化后的排汽缸具有较好的气动性能。     

超低比转速离心风机无叶扩压器改进设计研究

为了提高超低比转速离心通风机的气动性能,通过理论分析提出了降低超低比转速离心风机内部损失的扩压器设计方法,采用数值模拟的方法得到不同直径旋转扩压器和静止扩压器的性能特点,从风机静压、效率、扩压器静压恢复系数和滞止压力损失系数等方面对其分析比较。研究得到：在设计流量下,旋转扩压器直径增大8.7%后,风机静压提升6.8%,效率提高3%,扩压器静压恢复系数提高62.9%,扩压器内滞止压力损失减少71.9%,表明在尺寸允许范围内适当增大扩压器直径可获得更高的静压升,同时降低损失、提高效率;另外,静止扩压器壁面与通流之间的剪切力更大,损失更多,设计流量下静止扩压器比等直径旋转扩压器滞止压力损失增加75.2%,表明旋转扩压器比静止扩压器有更好的性能。     

基于改进Kriging代理模型的自适应序列优化算法在离心压缩机蜗壳设计中的应用

提出了一种基于改进Kriging代理模型的自适应序列优化算法,并利用Matlab软件开发相应的优化平台.采用该优化平台,针对某特定流量工况,以质量流量平均总压损失系数为目标变量对离心压缩机蜗壳系统模型进行气动优化设计,并对优化前后蜗壳模型进行对比计算,来验证优化结果在实际蜗壳系统中的适用性.结果表明:优化后蜗壳的总压损失系数小、静压恢复系数大,性能得到改善.     

汽轮机低压排汽缸气动性能的数值研究

针对汽轮机低压排汽缸气动性能对汽轮机组效率的影响,采用小尺寸试验模型对汽轮机低压排汽缸进行了数值模拟,得到扩压器进口导流环壁面压力分布和出口特征平面速度分布,并与相应的试验测量结果进行了比较,验证了数值计算结果的可靠性．通过数值模拟方法分析了扩压器和蜗壳的性能．结果表明：汽轮机扩压器导流环和蜗壳之间的涡系结构复杂,通道涡是造成排汽缸扩压能力降低和能量损失的主要因素．     

排汽缸导流内环子午型线改型设计的数值研究

为了降低某汽轮机低压排汽缸的流动损失,对占流动损失比例较高的环形扩压器进行了改型设计,改变扩压器内导流环子午型线圆弧段半径,数值研究其大小变化对排汽缸气动性能的影响。结果表明,扩压器内导流环圆弧段半径增大,提高了汽流在环形扩压器中的增压程度,降低了汽流由扩压器出口进入排汽蜗壳时的压力突升,改善了排汽缸的气动性能。     

基于CFD的1100MW核电汽轮发电机二维扩压器性能优化

建立了1 100MW核电汽轮发电机扩压器二维数值模型,采用商用CFD软件对其流场特性进行数值模拟,得到了设计工况下初始设计方案的流场特性及相关性能参数.同时,利用三次贝塞尔曲线对扩压器两侧壁面型线进行参数化控制及数值分析,最终得到一组两侧壁面流动特性都比较优良的型线.结果表明:相关参数因子对两侧壁面型线性能的影响作用大小相反;与初始设计方案的型线相比,优化方案下扩压器出口速度分布有较大改善,总压损失系数下降83.92%,静压恢复系数提高20.83%.     

汽轮机高压缸进汽蜗壳的数值研究

文章采用商用计算流体动力学软件CFX,针对某高压缸进汽蜗壳进行了详细的数值研究,并对影响切向进汽蜗壳气动特性的因素进行了研究,结果表明：切向进汽方式具有优越的气动特性,其进汽蜗壳截面的收缩比、截面形状以及进口管横向间距均对切向进汽室气动特性影响较大。湍动能和总压损失系数随截面收缩比的增加逐渐减小并趋于平缓。截面形状和进口管横向间距对切向进汽室总压损失系数影响较小,但对出口处湍动能影响较大。     

某MW级燃机非对称排气道性能分析

针对某MW级燃机动力透平及非对称排气道,本文采用CFD方法首先单独研究了不同进口条件下排气道的性能,发现该排气道性能良好,总压损失较低,且对15°以内的入口旋流角具有较好的适应性。由于动力透平与排气道之间存在相互作用,将整周动力透平与排气道进行耦合计算,发现由于动力透平设计存在一定的缺陷,单级计算时动叶根部存在大范围的气流分离,与排气道耦合后,透平功率略有下降,但动叶根部气流展向分离范围有所减小,且分离程度出现周向不均匀现象;同时,由于气流分离导致动力透平出口气流的旋流角较大,耦合条件下排气道性能明显恶化,总压损失增加较大。     

排气蜗壳与轴流涡轮相互作用的气动性能研究进展

排气蜗壳是连接燃气轮机末级涡轮与大气的关键部件,同时也是进一步提高动力装置输出功率最有潜力的部件之一,其与上游末级轴流涡轮因紧密耦合而产生的流动复杂性和非定常性可对涡轮和排气蜗壳的气动性能产生较大影响。国内外研究大多集中于单独的排气蜗壳性能和优化,而对排气蜗壳与轴流涡轮之间耦合的相互作用研究很少。本文主要从排气蜗壳内流动和损失机理、涡轮和排气蜗壳之间流动的相互作用以及排气蜗壳和轴流涡轮耦合的数值研究方法等方面对排气蜗壳内部流场分布及其与轴流涡轮流动相互作用的气动性能研究进展进行综述,重点梳理了二者流动的相互作用以及相关研究方法。最后,对排气蜗壳与轴流涡轮气动性能耦合研究的未来研究重点和发展趋势进行了展望。     

高压比离心压气机气动设计与分析

设计了单级总压比9.5、流量1.95 kg/s的离心压气机,该压气机分为叶轮、径向扩压器和轴向扩压器三个部分。叶轮初步设计采用自编程的方法,叶型使用了双分流叶片,通过软件Numeca对叶轮进行了数值模拟,分析了入口激波和出口射流尾迹等流动结构;从性能和流场细节两方面比较了三种形式的径向扩压器。结果发现,扩压器入口收缩可以抑制回流,楔形扩压器的扩压性能明显优于无叶扩压器。     

基于CFD分析的车辆冷却风道综合性能评价

为了优化车辆冷却风道,提出了基于计算流体力学(CFD)分析的车辆冷却风道综合性能评价方法,建立了风道CFD模型并对模型精度进行了试验验证,确定了由CFD分析可获得的风道总压降、散热器压降、风扇消耗功率和排气百叶窗出口温度作为风道综合性能评价指标,应用隶属度线性加权规划法建立了评价模型。实例应用显示,在动力舱空间尺寸允许并保证满足设计散热量的前提下,增大散热器芯体的宽度和长度、蜗壳出口高度和侧出口高度、排气百叶窗尺寸和减少进气百叶窗叶片,可以使冷却风道的综合性能得到提高。     

舰用燃气轮机排气蜗壳流场数值模拟

基于Ｎ－Ｓ方程和ｋ－ε湍流模型,进行了两种排气蜗壳的流场数值模拟,通过分析压力损失和流场状况给出排气蜗壳的性能评价。     

涡轮增压器进/排气蜗壳结构优化与性能分析

为了分析涡轮增压器涡轮部件进/排气蜗壳对涡轮级性能的影响及相互作用机理,提高涡轮效率,采用数值模拟的方法对涡轮增压器中的进/排气蜗壳进行优化设计,提出进气蜗壳和排气蜗壳的优化方案,并与涡轮整机联合运算,对比分析涡轮整机的性能。结果表明:进气蜗壳主要对静叶10%叶高的来流攻角产生影响,优化方案可为涡轮提供更好的进口条件,排气蜗壳主要对动叶尾缘的载荷分布产生影响,优化方案可以增加涡轮的做功能力,进/排气蜗壳的优化设计可使整机总静效率提高1.19%。     

某型燃气轮机排气段支撑型线优化设计研究

燃气轮机排气段气动性能的优劣对机组整机效率有显著影响。支撑部件附近流动状况复杂,会对排气段性能产生极大影响。基于某型燃气轮机排气段初始流场特征,开展了排气段前、后支撑型线的优化设计。重点考虑对前支撑的优化设计,完成了三种型线优化方案,并应用S1流面计算方法在宽广的来流角度范围下进行损失计算,选择出气动性能最优的结果。后支撑对流动效率影响比前支撑小,因此对后支撑完成了一种适应当地流场的简单优化设计。最后,采用耦合涡轮末级的排气段三维数值模拟方法,对支撑型线优化前后排气段的气动性能变化进行了分析,支撑优化后排气段流动损失比原型明显降低,总压保持因数提高了1.4%。研究成果可为燃气轮机排气段气动设计与优化提供参考。     

涡轮增压器压气机蜗壳型线变化的性能研究

利用数值模拟的方法,研究蜗壳形状对涡轮增压器压气机性能的影响。根据蜗壳成型方法(C_ur~x=const,0≤x≤1),取不同的x经验数值(x=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1),建立6个蜗壳模型分别与某叶轮的组合性能进行了计算。得到了设计转速下的流量与整机效率及压比的特性曲线并进行比较。分析了靠近设计工况点的叶轮、扩压器及蜗壳流道内的气体流动特性和压比分布。结果表明:在一定范围内x增大,能使流量增大,效率提高,抑制流动分离。本例中x取0.8时总体性能较优。     

串列叶栅扩压器弦长比对离心压气机的性能影响研究

为研究串列叶栅前后排叶片的弦长比对离心压气机性能的影响规律,采用数值模拟的方法对某离心压气机扩压器进行串列改造,并在弦长比为0.7、1.0和2.0时对离心压气机级性能进行分析。研究结果表明:串列叶栅扩压器效率优于楔形扩压器,且可以明显扩宽压气机的工作裕度;串列叶栅弦长比在一定范围内数值越大,即前排叶片越短,压气机性能越佳。在串列叶栅扩压器后排叶片前缘附近添加合适弦长的小叶片可以在不降低离心压气机效率与工作裕度的同时提高总压比,同时拓宽其最大通流能力。