考虑转捩影响的地面重型燃气轮机压气机叶型优化设计
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。
数值模拟技术;转捩过程;地面重型燃气轮机压气机;叶型优化设计
哈尔滨工业大学
硕士
动力机械及工程
王松涛
2009
中文
TK473.811
33
2013-03-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）