摘要：从涡轮结构形式的角度探究了油气涡轮轴向力平衡问题。建立了半开式、开式与闭式3种局部进气裂解油气向心涡轮,通过数值仿真对比分析了设计工况下3种油气涡轮的气动性能与轴向力,并归纳总结了非设计工况下总轴向力随压比的变化规律。仿真结果表明:半开式、开式与闭式油气涡轮的总体气动性能相近但轴向力表现有明显的差别。当涡轮压比发生变化时,开式油气涡轮轴向力稳定性最好,半开式油气涡轮轴向力稳定性最差,闭式油气涡轮轴向力始终是3种油气涡轮中最小的。由结果分析可知,当涡轮压比低于3时,应避免选用半开式油气涡轮,而涡轮压比变化较大时,则宜采用开式油气涡轮,此外,在采用闭式油气涡轮时需要轴承预留足够的轴向载荷裕度。

摘要：为解决低进气量条件下油气涡轮功率与效率提升困难的问题,本文结合裂解油气物性特点,针对性地提出了局部进气裂解油气向心涡轮设计方案。通过数值仿真详细分析了向心式油气涡轮在设计工况下的内部流动特征,并总结了非设计工况下轮周效率随压比、转速以及正癸烷裂解度的变化规律与影响机制。仿真结果表明,本文所设计油气涡轮在0.5 kg/s进气量条件下可实现38.8 kW功率输出,轮周效率为68%,能够满足油气涡轮气动设计需求。根据结果分析可知,随着压比的增大,轮周效率呈现出先增大后减小的趋势:低压比条件下轮周效率增大主要与转子入口攻角损失有关;高压比条件下轮周效率降低则主要是由于激波损失及其引发的附面层分离损失不断增大导致的。研究表明,轮周效率随转速、裂解度发生变化时与转子入口攻角有直接关系,其中,油气工质裂解度每提高20%,涡轮轮周效率可提高13%左右。

摘要：以某先进辅助动力装置用膨胀比5.0级向心涡轮跨声速导叶为研究对象,从消除几何喉部前局部超声区及削弱尾缘激波强度两方面着手,对导向叶片进行了优化改进及叶栅试验验证,结果表明:采用大正攻角、小安装角的设计思路,减小喉部前吸力面叶型曲率,降低进口段的通道面积,提高了叶型前段负荷,消除了喉部前的过膨胀区,喉部前气流加速更为均匀;在吸力面喉部后构建局部内凹结构,可将原方案中吸力面尾缘处一道较强的激波变为两道较弱的激波,峰值马赫数降低,尾缘逆压梯度减小,尾缘激波强度得以削弱。试验结果显示:在出口马赫数0.9~1.1范围内,优化后叶型能量损失系数均有所降低,在出口马赫数为1.1时,能量损失系数可降低近20%。

摘要：本文以某MW级超临界二氧化碳(S-CO_(2))向心涡轮为研究对象,对S-CO_(2)向心涡轮的设计体系展开进一步探索,并利用一维分析方法和三维数值模拟方法对其进行气动分析。文中先介绍了本课题组已经开发完成的针对向心涡轮喷嘴和转子叶轮的一维气动优化设计方法,然后补充向心涡轮进气蜗壳的设计方法,最后利用三维CFD方法对设计方案的进气蜗壳、喷嘴和转子叶轮进行耦合计算,并根据三维计算结果对静子部件的一维模型进行了校核。结果显示,开发的优化设计方法有效,优化后涡轮在全部工况下效率和通流能力都有所提高;本文设计的MW级向心涡轮设计点效率88.45%,满足设计要求;本文设计的向心涡轮进气蜗壳气动性能良好,而且其内部流场基本不随运行工况的变化而变化;该方案静子部分的总压损失系数约为0.133。

摘要：向心涡轮内部流动复杂,功率密度大且结构限制严,因此,向心涡轮的设计必须考虑到气动、强度、结构等多学科间的耦合问题。采用多学科优化策略是提升向心涡轮气动效率和安全可靠性的一种可行途径。基于向心涡轮结构特点,发展了通用的向心涡轮三维参数化造型方法。耦合多目标优化算法和向心涡轮三维参数化方法,建立了向心涡轮多目标多学科优化设计体系。以频率为约束,以提高总静效率、降低叶根最大应力为优化目标,开展了向心涡轮的多学科优化设计。优化后,在避开所有危险共振频率的前提下,就单一性能指标而言,涡轮级的总静效率最高可提高1.35%,叶根最大当量应力最高可降低12.54%。进一步,对设计空间开展了敏感性分析,揭示了对性能指标影响显著的设计变量,阐明了关键设计变量对性能指标的影响机制。

摘要：针对轻量化、紧凑化、高效化的向心叶轮设计需求,对5.0大膨胀比向心涡轮进行三维多目标优化。首先,基于iSIGHT,集成Numeca,CFX软件及自编程序,搭建了三维气动优化集成系统,实现向心涡轮流道、叶片的参数化、网格划分、数值计算及三维结果的自动处理与优化,且其所需的存储空间仅为原优化系统的2.4%,极大地降低了对计算机存储空间的要求;其次,针对向心叶轮造型参数众多所导致的优化规模巨大问题,采用试验设计方法(DOE)详细地开展了流道、叶片的控制参数对涡轮性能的影响研究,得到造型参数对涡轮效率的贡献度,继而给出了优化变量的选取依据,从102个造型参数中选取23个作为优化变量,减少了优化的盲目性,缩短了优化时长,极大地减轻了工作量,提高了优化效率;最后,考虑涡轮性能、排气损失以及叶轮轻量紧凑化的需求,以涡轮总对静效率ηts,级出口气流角α6及叶片的表面积A作为优化目标,采用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化并探讨相应机理。优化后,叶轮的轴向长度缩短了8.09%,叶片的表面积减小了8.46%,有效降低了叶轮的尺寸及重量;在保持涡轮进口流函数和膨胀比基本不变的情况下,设计点涡轮总对静效率提高了0.1%,级出口绝对气流角仅降低1°,且不同转速下涡轮的性能基本保持不变。以上研究表明,该三维优化系统和多目标优化方法的有效性。

摘要：本文首先通过匹配计算确定了微型燃气轮机增程器的主要性能指标,并通过模型分析得到微型向心涡轮的设计参数;其次根据向心涡轮工作过程建立损失模型,将遗传算法融入设计方案,编制了设计流程和计算程序;最后依据设计结果完成了微型向心涡轮结构设计,并利用CFD方法进行数值模拟计算。仿真计算结果表明:所设计的微型向心涡轮的轮周效率、轴效率以及输出功率均达到了设计要求,同时内部流场模拟结果显示涡轮也具有较好的气动性能,说明所采用的设计方法是可靠的。

摘要：针对某向心涡轮,采用二维流动分析方法设计矩形截面蜗壳,同时采用商用计算流体动力学软件CFX对带蜗壳的向心涡轮流动损失进行数值计算.将计算结果与原型设计中带有集气室的向心涡轮计算结果进行对比.结果表明:蜗壳内流动损失要小于集气室内的流动损失,向心涡轮采用蜗壳后流道内流场有明显改善,效率有所提高.采用设计的矩形截面蜗壳,向心涡轮的功率提高1.7%.通过内部流场的分析,揭示了内部流场结构和损失机理,为向心涡轮的设计和优化提供了一定的参考.

摘要：毫米级微型向心涡轮传热效应显著区别于常规向心涡轮,发展计及壁面传热效应的微型向心涡轮的气动设计方法对微型燃气轮机的设计具有重要意义.根据微型向心涡轮壁面非绝热的特点,通过理论分析,初步建立了计及固壁传热效应的微型向心涡轮速度三角形的分析模型.在此基础上发展了计及传热效应的微型向心涡轮的气动设计方法.分析得到了考虑传热影响的微型向心涡轮设计规律.利用三维数值模拟手段对模型和设计方法进行了验证.结果初步表明所发展计及壁面传热效应的模型和微型向心涡轮气动设计方法具有较好的可行性.

摘要：本文针对以超临界二氧化碳(S-CO_2)为工质的向心涡轮,在常规一维分析方法的基础上,引入相应的损失模型,开发出适用于真实气体工质物性计算的一维气动设计程序和一维变工况性能预测程序。文中首先利用试验对损失模型的准确性进行了验证,进而针对某S-CO_2向心涡轮,利用所开发程序进行了设计和性能分析,并采用三维CFD方法进行了数值模拟。结果显示,设计方案的气动性能和变工况运行性能良好,并且一维计算结果与三维模拟结果总体吻合,说明一维程序的分析结果精确可靠;但一维预测程序对于堵塞点质量流量计算值偏高,为程序进一步改进指明了方向。