航空轴流涡轮的多级气动优化设计及气动性能研究

【类型】学位论文

【作者】赵洪雷 

【关键词】 涡轮设计 准三维 自动优化 高负荷 多工况

【摘要】涡轮作为航空发动机的重要部件，其性能的改进对发动机整体性能的提高有着至关重要的影响。气动设计是涡轮设计的核心，没有高水平的气动设计就没有高水平的涡轮性能。过去大量采用传统的准三维设计方法，随着数值模拟技术的不断成熟，近年来，基于优化理论的气动设计方法逐渐兴起，并且吸引了国内外同行学者的研究兴趣。但是将现代优化设计与准三维设计这两种方法联合起来对涡轮进行气动优化设计的研究，目前还很少见到。本文的主要工作就是研究联合应用准三维设计和现代自动优化设计对多级涡轮进行气动优化的设计方法。 本文首先通过比较包括现代自动优化设计方法的涡轮气动现代设计体系的优缺点，提出将现代自动优化设计方法与传统设计方法有机结合能有效地进行涡轮叶型的气动优化设计。采用四级轴流试验涡轮的试验数据，验证了应用 Numeca 商用软件模拟不同工况下多级涡轮内部流场的数值结果的可靠性。 为了实现准三维设计与自动优化设计的有机结合，本文编制了多级轴流涡轮气动优化设计流程，此流程包括准三维设计过程和多级局部优化设计过程。准三维设计主要是 S2 流面正问题计算，通过准三维设计进行初步设计，初步提高性能，确定总体参数，为下一步的优化设计打下基础。然后采用多级局部优化设计，通过提高局部性能来提高总体性能。局部优化过程联合采用人工神经网络和遗传算法，流场计算采用全三维粘性流 N-S 方程求解。局部优化设计有三个特点：（1）.针对每列叶栅的气动特性进行局部优化；（2）.各列叶栅反复多次优化；（3）.粗细网格交替使用进行流场计算。总的来说，此设计流程可以发挥两种设计方法的优点，在不需要较多人力和时间的情况下完成设计。应用此设计流程分别对气冷涡轮级、三级涡轮和四级高负荷低压涡轮进行气动优化设计，总体性能均获得了不同程度的提高。 的相关参数。在优化设计时，合理调整这些参数能够较大幅度地降低总流动损失，在此基础上，本文提出了局部优化的组合优化参数群的概念。组合优化参数群分别由叶型优化参数组、子午流道优化参数组、积叠规律优化参数组以及优化参数组的组合构成。本文给出了各参数组的建立方法、适用条件以及如何通过流场诊断采用组合优化参数群进行局部优化设计。 最后，本文分析了优化设计中的两个难点问题，它们分别是高负荷低压涡轮的优化设计和多工况优化设计。在进行高负荷低压涡轮优化设计时要使用适当细的网格。此外，调整各级的功率、级负荷系数以及各级的静、动叶切向升力系数，使它们在各级中的分布尽量均匀，有利于提高涡轮的总体性能。多工况优化设计是多目标优化设计，在涡轮设计中是否采用，应该根据对具体情况的分析而定。对于各工况下性能相似的涡轮，应采用单工况为主的设计方法。对于各工况下性能差别较大的涡轮，必须采用多工况优化设计。

【学位名称】博士

【学位授予单位】哈尔滨工业大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】韩万金

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