重型燃气轮机压气机叶型优化设计及相关问题研究

摘要

重型燃气轮机中高雷诺数、高湍流度的流动特点使航空发动机中的可控扩散叶型失去了原有的优势：通过推迟转捩位置来达到减小损失。高雷诺数和高湍流度的流动条件，会使原本发生在叶片中部的转捩过程提前到叶片前缘，因此，针对重燃压气机中特殊的工况来开发出新的可控扩散叶型十分必要。本文以此为切入点，重点考虑重型燃气轮机中特殊的工作条件，采用一种新的叶型参数化方法，将叶型的正冲角性能作为主攻方向，兼顾低损失工作范围，针对某重型燃气轮机中的三个典型级的静叶叶型进行优化设计，得出新的叶型结果。优化结果的变冲角工况范围及失速裕度均优于原始叶型。在优化叶型的基础上分析提高叶型失速裕度的设计方法。
　　本文中使用的叶型优化平台是由优化软件 iSIGHT集成哈工大自主开发的叶型参数化程序与MISES和CFX两种计算程序及其后处理模块实现。该平台可自动实现从叶片生成、流场计算、结果处理等流程。
　　本文优化的原始叶型来自某重型燃气轮机压气机中的三个典型级：跨音级、中间级与后面级静叶的50％叶高处的叶型参数。分别对应了三个典型的流体状态，即：可压缩状态、不可压缩状态及介于二者之间的状态。通过对其进行优化设计，寻找出对应不同状态下叶型设计的方法。
　　叶片参数化程序的基本原理是基于 NURB曲线的36参数法，该方法相比于二次曲线，几何意义更明确，参数也较少。而与单纯贝塞尔曲线相比，控制点有序而且形式简洁。即发挥了贝塞尔曲线通过控制点控制曲线形状的优势，也克服了其在反问题中求得控制点的杂乱无章的问题。
　　优化算法选用多岛遗传算法，由 iSIGHT优化软件实现。针对流场求解器运算性能的不同，分别给予优化参数，以达到最大程度的历遍叶型方案。目标函数的形式充分考虑衡量压气机叶型性能的主要指标：总压损失、工况范围、失速裕度、压比及折转角。根据需求设置其相应权重以突出优化侧重点。本文侧重对正冲角性能的优化，故将失速裕度的权重赋值较大。
　　计算过程采用麻省理工学院的Drela和Gile开发的MISES计算程序及商业软件CFX完成。两种流场求解器均可考虑流动的转捩过程，并且计算精度高，收敛速度快，计算结果有较好的可信度。
　　优化过程得出的结果，最小损失小幅增大，压比与折转角基本保持不变，在失速裕度与低损失工况范围等方面均优于原始叶型。目标函数明显减小。基本达到预期目标。
　　将优化叶型沿径向积叠成直叶栅以考察其三维性能。计算结果显示，优化结果对叶栅的角区分离有明显的改善。无论在叶栅的总损失还是工作范围等方面均较原型有大幅提升。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源和研究目的与意义

1.2 地面重型燃气轮机的发展和国内外现状

1.3 压气机可控扩散叶型发展综述

1.4 优化设计方法综述

1.5 分离流基本理论

1.6 转捩研究综述

1.7 论文研究的主要内容

第2章 数值计算方法与验证

2.1 引言

2.2 MISES程序简介

2.3 CFX软件简介

2.4 二维计算程序校核

2.5 三维计算程序校核

2.6 本章小结

第3章 叶型优化设计平台

3.1 引言

3.2 叶型参数化方法

3.3 数值求解过程

3.4 优化算法

3.5 本章小结

第4章 优化结果二维性能分析

4.1 引言

4.2 叶型优化结果对比

4.3 优化结果性能分析

4.4 本章小结

第5章 优化叶型在三维叶栅性能分析

5.1 引言

5.2 叶片生成

5.3 计算方法

5.4 优化结果分析

5.5 末级静叶变冲角特性分析

5.6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢

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