地面重型燃气轮机压气机高性能叶型优化设计及流动机理研究

摘要

近年来国内外流行的优化设计方法为叶型设计提供了新的思路。优化设计是将叶型的几何形状进行参数化，性能表达成随设计参数而变化的目标函数。设计过程就是根据设计目标函数,选择设计参数使性能最佳，该设计过程是一个自动化过程。本文的工作就是从这一方面着手，将优化理论引入到压气机叶型设计中，建立可用于重型燃气轮机压气机的二维气动优化设计平台。该设计平台在优化设计软件 iSIGTH中集成，由自主开发的二维叶型造型程序bladeprofile、网格生成软件 AutoGrid5、流场计算分析软件 CFX以及后处理软件组成。在优化的过程中，非设计工况和喘振边界是设计的主要目标。所以本优化平台目标函数的选取综合考虑设计点总压损失低，工作范围宽广，喘振边界合理，较小冲角变化时损失低并且变化平稳等因素，进行变工况多目标自动优化设计，以期达到叶型综合性能的改善。
　　在叶轮机械中，转捩对压气机的性能影响较大，主要因为转捩前后的层流边界层和湍流边界层在边界层内的流动结构、流速分布、壁面切应力和换热系数等均不相同，一方面转捩流动的这些特征直接影响着流体机械的动力特性，为了准确的预测流体机械的动力性能，必须明确边界层内流动状态，另一方面通过有效的控制转捩起始点、转捩区长度，可以大大地改善流动效率，提高设计水平。在地面重型燃气轮机的中间和后面级中，雷诺数和来流湍流度都较高，对转捩的起始位置和转捩的发展影响较大，鉴于此在本文的优化设计过程中，应用CFX求解器里的γ-Reθ一方程转捩模型，考虑了地面重型燃气轮机压气机气体在高雷诺数及高湍流度下转捩带来的影响，以使计算结果能够充分的反应叶轮机械内气体的实际流动，从而得到可信的结果。
　　本文以某地面重型燃气轮机压气机第七级静叶中径叶型为研究对象，考虑转捩的影响，应用优化设计平台对叶型进行变工况多目标优化。优化设计后，在叶型负荷高于原型的情况下，目标函数明显降低，在变工况运行条件下，工作范围变得宽广，损失相对于原型有大幅度的降低，且具有一定的喘振裕度。
　　将优化后叶型应用到半叶高直叶片上，使用CFX软件对原始叶片与优化后的叶片进行数值模拟。分别对节距平均参数叶高分布、静叶气动性能进行分析，比较不同叶高处原始叶片与优化叶片的性能。得出设计工况下优化叶片的性能也高于原始叶片。

目录

地面重型燃气轮机压气机高性能叶型优化设计及流动机理研究

THE FOLW MECHANISM INVESTIGATION ANDOPTIMUM DESIGN OF ADVANCEDCOMPRESSOR AIRFOILS FOR GROUND-BASEDHEAVY-DUTY GAS TURBINES

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究目的与意义

1.2 地面重型燃气轮机发展概述

1.3 轴流压气机叶型设计和成型方法研究综述

1.4 优化设计方法综述

1.5 转捩研究综述

1.6 本文的主要研究内容

1.7 本章小节

第2章 数值方法及程序校核

2.1 引言

2.2 数值方法

2.3 γ-Reθ转捩模型

2.4 数值模拟程序校核

2.5 本章小结

第3章 叶型优化设计平台

3.1 引言

3.2 叶型优化流程

3.3 叶型造型

3.4 网格生成

3.5 数值求解

3.6 优化算法

3.7 目标函数

3.8 本章小结

第4章 叶型优化结果分析

4.1 引言

4.2 优化结果分析

4.3 本章小结

第5章 三维流场分析

5.1 引言

5.2 叶片的生成

5.3 数值方法

5.4 结果分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致谢