考虑转捩影响的地面重型燃气轮机压气机叶型优化设计

论文摘要

随着数值模拟技术的不断成熟,基于优化理论的气动设计方法逐渐兴起并吸引了众多学者进行研究与应用。本文的工作就是从这一方面着手,将优化理论引入到地面重型燃气轮机压气机叶型设计中,建立可用于地面重型燃气轮机压气机的二维气动优化设计体系。在叶轮机械中,转捩过程受到来流湍流度、来流马赫数、压力梯度及其它诸多因素的影响。本文中,优化设计考虑到地面重型燃气轮机压气机入口气体在较高雷诺数及较高湍流度下流动转捩带来的影响。本文首先对某地面重型燃气轮机压气机的末级静叶中径叶型进行参数化。叶片参数化造型方法有很多种,本文采用的“中弧线贴厚度分布法”的参数化造型方法。是在已有方法的基础上改进得到的一种新的叶片参数化造型方法,适用于亚音速压气机叶片的参数化优化设计。建立具有自动优化设计能力的平台。该平台由自主开发的二维叶型生成程序、网格生成软件GAMBIT、流场计算分析软件CFX以及自主开发的优化模块组成。整个过程可以靠计算机自动完成,省去了手动调节浪费时间的弊端,优化的叶型范围更加宽广。以某地面重型燃气轮机压气机末级静叶中径叶型为优化对象,以总压损失系数为目标函数,流场分析中考虑转捩情况,利用iSIGHT优化器进行优化计算。优化后,叶型气动性能有较明显改善。设计工况下叶型总压损失系数较原型下降了3.63%,气流折转角增大了1.44%,静压比升高了0.11%,扩压因子增大了1.04%。比较分析发现优化叶型通过减小吸力面的逆压梯度抑制附面层的发展来减小叶型尾迹,降低尾迹损失,总压损失系数下降。同时因为气流转折角增大,静压比升高,扩压因子增大,从而使优化叶型性能高于原型。在非设计工况条件下,较低马赫数时,优化叶型的低损失工作范围较大,较高马赫数时,优化叶型的低损失工作范围较小。将优化出的叶型在保证弦长、最大厚度、最大厚度相对位置、前缘半径、安装节距、安装角、前缘角、后缘角、控制叶型中弧线形状的无量纲参数不变的前提下,应用到原始叶片各截面叶型上生成新的优化叶型。将各截面上新的优化叶型按照原始叶片的积叠方式生成优化叶片。对原始叶片与优化叶片进行数值模拟,优化叶片在主流区内通过减小吸力面的逆压梯度抑制附面层的发展来减小叶型尾迹,降低尾迹损失,总压损失系数下降。在端壁角区范围内,通过控制角区分离来减小损失,总压损失系数下降。同时因为在不同叶高处,优化叶片的气流转折角增大,静压比升高,从而使优化叶片性能高于原始叶片。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 CFD发展及在叶轮机械中的应用
• 1.3 地面重型燃气轮机的发展及国内外现状
• 1.4 地面重型燃气轮机压气机简述
• 1.4.1 地面重型燃气轮机压气机的发展及国内外现状
• 1.4.2 地面重型燃气轮机压气机设计技术
• 1.4.2.1 气动设计方法
• 1.4.2.2 叶型设计技术
• 1.5 优化设计方法综述
• 1.5.1 叶型参数化方法
• 1.5.2 可用于叶轮机械中气动设计的优化方法
• 1.6 论文工作的目的和主要内容
• 1.7 本章小结
• 第2章 数值方法
• 2.1 引言
• 2.2 商业软件介绍
• 2.2.1 FLUENT介绍
• 2.2.2 CFX介绍
• 2.2.3 NUMECA软件介绍
• 2.3 原始叶型数值方法
• 2.3.1 叶片原型
• 2.3.2 网格生成
• 2.3.3 数值计算
• 2.3.3.1 定解条件
• 2.3.3.2 收敛准则
• 2.4 本章小结
• 第3章 优化设计
• 3.1 设计思想
• 3.1.1 转捩问题简述
• 3.1.2 本文的设计思想
• 3.2 iSIGHT软件介绍
• 3.3 自主开发的叶型造型程序
• 3.3.1 “中弧线贴厚度分布法”造型的基本思路与特点
• 3.3.2 “中弧线贴厚度分布法”基本设计参数
• 3.3.3 中线与厚度分布界面显示
• 3.3.4 “中弧线贴厚度分布法”叶型的参数化
• 3.4 优化过程
• 3.4.1 优化平台
• 3.4.2 目标函数与设计参数的选取
• 3.4.2.1 目标函数的选取
• 3.4.2.2 设计参数的选取
• 3.4.3 设计工况下的优化
• 3.5 本章小结
• 第4章 原始叶型与优化叶型数值计算与流场分析
• 4.1 优化叶型与原型结果对比分析
• 4.1.1 设计工况下对比
• 4.1.1.1 优化叶型与原型几何形状对比
• 4.1.1.2 优化叶型与原型数值模拟结果对比
• 4.1.2 非设计工况下对比
• 4.2 优化叶型与原型分析结论
• 4.3 本章小结
• 第5章 原始叶片与优化叶片数值计算与流场分析
• 5.1 优化叶片的生成
• 5.2 原始片与优化叶片的数值方法
• 5.2.1 网格生成
• 5.2.2 数值计算
• 5.3 原始叶片与优化叶片数值模拟结果分析
• 5.4 原始叶片与优化叶片分析结论
• 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
• 致谢