多级轴流压气机气动设计体系的国内外研究进展

轴流压气机设计体系对压气机的设计周期和性能有着重要影响。为了能够更好地了解轴流压气机设计体系的发展情况,本文对其进行了整理综述。首先,结合轴流压气机涉及到的设计方法,对国内外轴流压气机设计的发展过程进行了介绍,主要包括一维二维设计体系、准三维设计体系和全三维流场计算模拟技术;然后,在整理完整设计体系要求的基础上,简述了国内外现有比较完整的轴流压气机设计体系。就目前发展来看,随着工程要求的不断提高以及计算机技术的提升,全三维流场计算模拟技术势必会成为今后的发展焦点,各公司和研究机构也在此基础上对原有的设计体系开展技术攻关。     

跨音轴流压气机气动设计与数值优化

介绍了带有进口导流叶片的三级跨音轴流压气机的气动设计与数值优化过程,气动设计采用准三维体系,包括一维平均流线设计、S2流面通流设计和任意中弧线叶片造型设计,并利用商用软件Numeca进行压气机流场分析.采用遗传算法结合人工神经网络的全局优化方法对第一级跨音动叶在多级环境下进行三维数值优化.结果表明:与优化前相比,优化后跨音级动叶叶尖的激波-边界层干涉损失明显降低,第一级动叶与三级压气机整机近设计点的绝热效率分别提高了0.87%和0.37%,压气机整机的质量流量、总压比、绝热效率和失速裕度均能够满足设计目标.     

燃气轮机多级轴流压气机快捷一体化气动设计与性能优化研究

基于子午流面正反问题流线曲率法、改进Powell算法和叶型参数化方法,构建轴流压气机快捷气动设计、性能分析与优化平台,对某燃气轮机9级轴流高压压气机开展一体化气动设计和多目标优化。结果表明:该平台可自动有效实现多级轴流压气机快速设计、多工况性能分析和优化流程;优化改善了压气机各叶排流动和负荷匹配,实现了多工况扩稳增效;优化后设计点流量、总压比、绝热效率及设计转速下喘振裕度分别为25.97 kg/s, 5.038,88.25%和33.33%;相比优化前,设计转速下裕度提升了5.39%,80%相对转速下裕度和目标工况点效率分别提升了7.56%和2.71%。     

某型低压压气机气动设计

采用以试验为基础的二元方法配之三元校算,设计出了性能优良并满足预定技术要求的某型低压压气机。全台试验结果表明,这台压气机未经调整,其流量、压比、效率已经达到了设计指标,优选工作点后性能更佳,压气机低工况性能好,有可用的稳定工作范围,出口流场均匀。     

舰船大功率轴流压气机气动设计研究

基于建立的舰船大功率多级轴流压气机气动设计体系,开展了舰船用某型大功率燃气轮机压气机设计研究,完成了6级轴流压气机的气动设计。进行了一维反问题设计、一维特性计算分析、S2反问题计算、叶片造型以及三维CFD计算分析。各级载荷分布从前面级到后面级逐渐降低,叶展方向按照等压比分配以避免径向掺混损失过大,S2设计并没有严格遵循传统的设计规律(等环量、等反动度等),而是基于一维设计方案通过不断调整优化获得的。根据CDA的特点,开发了可用于工程应用的叶片造型程序,可实现不同中弧线、不同厚度分布调节,能够实现叶片弯、掠等功能。三维数值模拟结果表明,考虑动叶叶顶具有0. 5 mm间隙的情况下,6级压气机设计点效率达到89. 75%,设计转速下的喘振裕度为22. 5%,同时具有较好的变工况性能。     

轴流式压气机级多目标优化简介

本文以设计工况效率和级总质量为目标函数,提出了一个轴流式压气机级的多目标优化方法.计算表明该方法是有效且实用的.     

燃气轮机压气机气动稳定性裕度优化设计研究

由于国内市场对发电量的高需求,现代燃气轮机出力越来越高,这对运行安全性也提出了更高要求。使用CFD工具对一款轴流式燃气轮机压气机进行了升级,以提升喘振裕度,保证安全性。升级中流道保持不变,对后面级叶片进行了优化,以获得足够的喘振裕度,并减少损失。结果表明,相比原型机,升级后的压气机在设计状态喘振裕度提升超过3.5%,非设计点喘振裕度也得到提升。研究成果可为后续压气机性能优化升级提供参考。     

某型多级轴流压气机三维CFD流场分析及气动优化

以某11级轴流压气机为研究对象,通过三维计算软件对某型压气机整机建模及流场进行了数值模拟,分别计算了设计工况、变工况及改变导叶安装角等工况的特性,得到了压气机流量－压比特性曲线、流量－效率特性曲线,与压气机的性能试验数据进行了对比,其误差在可允许范围内.同时对压气机的每一级的数据行了分析,总结了该压气机的气动设计规律.通过流场分析得到出口导叶的流场分布不合理的结论,并通过对其母型机的流场分析,提出了改进的方案.这些工作对压气机的设计开发提供了宝贵经验.     

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。     

单级离心压气机气动性能预测与优化设计

为了提升低转速工况下压气机的气动性能,采用人工神经网络与遗传算法相结合的优化方法对某单级离心压气机离心叶轮的弯特性进行优化计算。利用NUMECA软件对该离心压气机进行了不同转速的数值模拟,得到压气机不同工况下的气动性能。通过设置不同控制参数和曲线形式对离心叶轮叶片进行参数化拟合,以8个改变叶片弯特性的参数为自由参数进行了叶型优化设计,最终得到了优化后的叶轮叶片。结果表明:优化后在低转速的设计工况下离心压气机压比增加了4.69%,稳定裕度拓宽了17.41%。     

透平叶片的气动优化设计系统

发展了一个叶轮机械叶片全三维粘性杂交问题的气动优化设计系统。该系统包括分析技术与组合优化技术的耦合：前者基于高精度、鲁棒型的数值分析方法，已成功地用于蒸汽透平叶片的流动分析．并经详细考核已将其纳入到了实际的叶片气动设计体系；后者基于优秀的iSIGHT商用优化平台．通过对多种优化方法的集成从而发展了组合的叶片全三维气动优化策略。数值结果与试验数据的比较表明了这一气动优化设计系统真正纳入到工业设计体系是完全可能的。     

增压器压气机级多目标气动优化设计

针对某型号增压器压气机级的叶轮和蜗壳进行稳态分析改进,采用NUMECA公司的FINETM/Design3D软件对叶轮型线进行优化设计,以效率、压比、功率为优化目标,整个过程贯穿了参数化建模,三维黏性气动数值分析、试验设计方法、遗传算法和神经网络技术;通过调整蜗壳环量来降低流动损失.对优化前后压气机的整体性能进行了比较,结果表明:整机效率提高了6 %,压比提高了0.11,功率增加了0.5 kW.     

整车冷却系统优化匹配方法浅谈

对整车冷却系统的优化匹配方法进行介绍。首先采用适当的试验方法对相关零部件的性能进行测试,获得完整的性能数据。这不仅可以对特定部件进行全面评价,也使零部件的试验更好地为冷却系统匹配分析提供有价值的参考数据。如果条件允许则可利用CFD的模拟分析手段,整车风洞试验或整车道路试验是整车冷却系统匹配优化的最终评价手段。     

轴流压气机多叶片排的气动优化设计

对某多级轴流压气机前三排叶片径向积叠方案进行了气动优化。该方案以商用软件iSIGHT作为平台,利用试验设计方法对整个搜索空间进行初步探索,采用逐次序列二次规划算法进行局部寻优,利用商业软件NUMECA进行粘性流场数值评估。对压气机全工况性能的计算表明,在流量和压比不减少的情况下,优化后的叶型设计工况和非设计工况性能均得到了改善。     

Adjoint-Based Geometrically Constrained Aerodynamic Optimization of a Transonic Compressor Stage

Efficient method to handle the geometric constraints in the optimization of turbomachinery blade profile is required. Without constraints on the blade thickness, optimal designs typically yield thinner blade to reduce the friction loss, however, at the risk of degraded strength and stiffness. This issue is seldom discussed and existing literature always treat the blade thickness constraint in an indirect manner. In this work, two different geometric constraints on the blade thickness are proposed and applied in the adjoint optimization: one is on the maximum blade thickness and the other is on the blade area. Methods to compute sensitivities of both constraints are proposed and they are integrated into an optimization system based on a finite volume code and a solver for the discrete adjoint equation. Adjoint optimization is conducted to minimize the entropy production in a transonic compressor stage. Results for the adjoint optimization without geometry constraint and two comparative cases are detailed. It is indicated that three cases yield similar performance improvement; however, if geometry constraints are properly handled, the optimal designs have almost the same maximum thickness as the original design, compared to a thinner blade profile with 14% reduction of maximum thickness in the case without geometry constraint. The cases considering geometry constraints also consume slightly reduced Central Processing Unit(CPU) cost. Result of this work verifies the effectiveness of the proposed method to treat geometric constraints in adjoint optimization.     

重型柴油机SCR系统布置优化设计

尿素选择性催化还原系统(SCR)在高催化效率下的正常运行是柴油机满足排放法规的关键因素。本文利用计算流体力学方法CFD模拟混和管中尿素水溶液的喷雾情况,对不同排气温度和排气流量下液滴的运动,水溶液蒸发后水蒸气的浓度分布进行了计算,优化排气管道形状以及优化喷射位置和喷射角度,从而避免尿素水溶液撞壁出现沉积,堵塞管路。同时对SCR载体内的流动性能进行计算,保证排气在载体入口的速度、反应物浓度分布均匀,以此来保证SCR实现高的催化效率。     

车载燃机移动电源压气机设计

运用一套以“S2流面反问题设计”为核心的离心压气机设计体系,设计了某车载燃机双级离心压气机的低压压气机.通过三维CFD计算对气动设计进行数值模拟,结果表明设计的压气机流动情况良好,拥有较高的效率和稳定的工作范围,符合设计目标要求.     

汽油机水套的CFD优化分析

本研究采用CFD方法对汽油机的水套内流动换热特性进行了计算分析,并对水套结构进行了优化改进.计算结果表明:优化改进后的缸盖排气侧鼻梁区、缸体间鼻梁区的流速都达到了2m/s以上.从整体上看,优化修改后的水套换热能力得到了增强.