透平叶片的气动优化设计系统
基于离散伴随方法的透平叶栅气动优化设计
基于离散伴随方法的透平叶栅气动优化设计离散伴随方法在透平叶栅气动优化设计中的应用，是当前叶片设计领域的一种先进技术。
伴随方法作为一种优化算法，在气动设计中有着广泛的应用前景，尤其是在透平叶栅的设计与优化中表现出了显著的优势。
离散伴随方法的基本原理：离散伴随方法是基于流体动力学（CFD）的优化算法，它通过构建流场变量的伴随关系来解决优化问题。
简单来说，伴随方法通过计算流场变量的梯度的逆来寻找最优的设计参数，以此来达到气动性能最优化。
在透平叶栅设计中，这种方法可以帮助设计者识别哪些叶型参数对于提高气动性能最为关键，并据此进行调整。
在透平叶栅气动优化设计中的应用：1. 参数化建模：首先，利用计算机辅助设计（CAD）软件建立叶栅的参数化模型。
这个模型要能够准确地描述叶栅的几何特征，如弦长、安装角、掠射角等。
2. 流场模拟：然后，应用CFD软件对叶栅流场进行模拟。
通过数值求解雷诺平均N-S方程（RANS方程）或其他更高精度的湍流模型，得到叶栅流场的详细信息，如压力分布、速度分布、二次流情况等。
3. 建立伴随模型：接下来，建立气动性能参数（如效率、压力比、喘流损失等）与叶栅几何参数之间的伴随关系。
这通常涉及到复杂的偏微分方程的求解。
4. 优化计算：使用离散伴随算法进行优化计算。
在这个过程中，算法将自动调整叶栅的几何参数，以寻找最优设计。
优化过程中，计算机会不断地评估流场模拟结果和气动性能参数，直至找到最佳设计方案。
5. 结果验证与迭代：最后，对优化后的叶栅设计进行验证，通常是通过再次进行流场模拟来确认气动性能是否真正得到提升。
如果结果满意，设计即完成；如果不满意，则可能需要回到步骤2，重新进行流场模拟，或者调整优化算法参数，再次进行优化。
优势与挑战：离散伴随方法在透平叶栅气动优化设计中的优势在于能够在不进行大量昂贵实验的情况下，高效地找到最优或近似最优的设计方案。
然而，这种方法也有其挑战性，比如需要精确的流场模拟，对于计算资源和精度的要求很高，且优化过程中可能会遇到局部最优解的问题。
向心透平设计参数优化及数值模拟
向心透平设计参数优化及数值模拟李新禹;郝旭涛;陈林;孟林【摘要】将向心透平(以下简称透平)作为研究对象,选取R123作为循环工质.采用热力计算方法,对动叶入口工质速度气流角α1、动叶出口工质实际相对速度的方向角β2对透平性能指标(轮周效率)的影响进行计算分析,确定α1、β2的最优值.α1的取值范围为15°～25°,变化步长设定为1 °.β2的取值范围为25° ～45°,变化步长设定为2°.在设计参数优化的基础上,采用CFX16.0软件对透平蜗壳内部速度场、静压分布进行数值模拟.当β2为25°时,轮周效率、动叶转速均随α1的增大而减小,α1宜选取15°.当α1为15 °时,轮周效率随β2的增大先增大后减小,在β2为34°时轮周效率出现最大值,β2宜选取34°.动叶转速随β2的增大持续增大,存在最佳转速(4 354min-1)对应轮周效率最大值.蜗壳内的速度场分布非常复杂,径向及周向的速度分布均不均匀.喷嘴出口气体速度很高,一直延伸到蜗壳内部.沿流道流向蜗壳的出口,流体速度逐渐降低,在蜗壳出口形成气体旋涡.蜗壳内静压分布不均,蜗壳的进口处存在呈周向分布的局部高压区,蜗壳出口的静压比较低.【期刊名称】《煤气与热力》【年(卷),期】2019(039)001【总页数】4页(P12-15)【关键词】向心透平;轮周效率;参数优化;数值模拟【作者】李新禹;郝旭涛;陈林;孟林【作者单位】天津工业大学机械工程学院,天津300387;天津工业大学机械工程学院,天津300387;天津工业大学机械工程学院,天津300387;天津工业大学机械工程学院,天津300387【正文语种】中文【中图分类】TK141 概述为完善透平的性能，许多学者进行了大量研究。
李艳等人[1]将用于工业余热回收的有机朗肯循环为研究对象，以R123为工质对透平的叶轮、叶片进行气动设计和结构优化，并采用计算流体力学(CFD)软件对优化效果进行模拟。
燃气透平控制系统功能优化
ｌ 排 气 温 度 控 制 程 序
２０ ０ ８年 ３月 ２ 日，ＴＴ Ｄ６热 电 偶 故 障 ， ９ Ｘ
切 除后 平均 温度 突跳 两 度 ，因温 控 Ｐ 参 数 没有 Ｉ 进 行过 调试 ，所 以 Ｐ 参 数设 定 得 较 强 ，造 成超 Ｉ 调停 机 。
与排 气温度 平 均值 的计 算 。排气 温度 平均 值计 算
功 能块 如 图 ７ 。
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瓶 释放 的事故 。针对此 故 障 ，对 二氧 化碳 消防保
叠 孵 薯 － ｍ Ｆ Ｉ
《蕊 瓤 精ｌｉ －￣ 峨 ． ｉｉ － ｉｉ ｉ ｝
护 系统进 行 了改造 。消防保 护系 统二 氧化碳 释放
闭 ，维 护检 修 难度 大 ，且大量 使 用半 导体 分离 元 件 ，备 件停 产 ，随着 时 间推 移 ， 目前 部分 元器 件
已老 化 ，进 入 故 障 高 发 期 ，设 备 故 障 率 日渐 上 升 ，运 行可 靠 性下 降 ，难 以满 足 生产 的需 要 。我 们决 定 采用 成 熟 的 ＴＲ Ｃ Ｎ 机 组 综 合 保 护 系 统 ＩＯ
ｔａ ｓｏ ｍ ｅ ｕ ｉｇ ｏ ｅ ｈ ｕ ｎ Ｊ ｎ ａ ｙ ２ ０ ． ４ ｙ ａ ｓｐ ｓ ｅ ｉ ｃ ｒ ｎ ｆ ｒ ｔ ｎ ｔ ｅ ｕ ｉ ｏ ｅ ａｅ ｒ ｎ ｆ ｒ ｄ ｄ ｒｎ ｖ ｒ ａ ｌｉ ａ ｕ ｒ ０ ８ ｅ ｒ ａ ｓ ｄ ｓｎ ｅ ｔａ ｓｏ ｍａｉ ， ｈ ｎｔ ｐ ｒ ｔｓ ｏ
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新 程 序 中 ｄ ５ Ｐ压 力 开关 只 触 发声 音 和灯 ４Ｃ
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光 报 警 ，不 参 与 ｃ ５ Ｒ１和 ｃ ５ Ｒ 电 磁 阀 的 控 ４Ｃ ４Ｃ ２ 制 。如 图 ９ 。
透平机及工作原理
透平机及工作原理一、透平机简介透平机是一种常见的能量转换设备，广泛应用于航空、能源、化工等领域。
它通过透平叶片与工作介质之间的相互作用，将流体的动能转化为机械能或电能。
二、透平机的工作原理透平机的工作原理主要包括透平叶片的运动和工作介质的流动。
1. 透平叶片的运动透平叶片是透平机的核心部件，其运动方式可以分为旋转式和往复式两种。
旋转式透平叶片：透平叶片固定在转子上，随着转子的旋转而产生相对运动。
当工作介质通过透平叶片时，叶片受到流体的冲击力，从而产生转矩，推动转子旋转。
往复式透平叶片：透平叶片固定在定子上，转子在叶片的作用下做往复运动。
当工作介质通过透平叶片时，叶片将流体的动能转化为机械能，推动转子做往复运动。
2. 工作介质的流动透平机的工作介质可以是气体或液体。
工作介质在透平叶片的作用下，经过压缩、加热、膨胀等过程，实现能量的转化。
工作介质的流动过程可以分为进口、压缩、膨胀和排出四个阶段。
进口阶段：工作介质从进口进入透平机，流经进口管道，进入透平叶片的工作区域。
压缩阶段：透平叶片将工作介质压缩，使其内部能量增加。
膨胀阶段：经过压缩的工作介质进一步膨胀，释放出部分能量。
排出阶段：工作介质从透平机的出口排出，完成一个工作循环。
三、透平机的应用领域透平机在各个领域都有广泛的应用。
1. 航空领域：透平机是喷气发动机的核心部件，通过将燃油燃烧产生的高温高压气体推动透平叶片旋转，从而提供动力推动飞机前进。
2. 能源领域：透平机在能源领域的应用包括燃气轮机和蒸汽轮机。
燃气轮机利用燃气燃烧产生的高温高压气体推动透平叶片旋转，驱动发电机发电。
蒸汽轮机则利用水蒸汽的膨胀能力推动透平叶片旋转，产生机械能或电能。
3. 化工领域：透平机在化工领域的应用包括压缩机和膨胀机。
压缩机通过透平叶片将气体压缩，提高气体的密度和压力，用于输送气体或进行化学反应。
膨胀机则通过透平叶片将高压气体膨胀，降低气体的压力和温度，用于制冷或能量回收。
10MW轴流空气透平叶片全三维反向优化设计
10MW 轴流空气透平叶片全三维反向优化设计张馨元 安恩科 夏国龙同济大学机械与能源工程学院摘 要： 以10MW 轴流空气透平某级叶片为研究对象， 利用 ANSYS ICEM 对其进行模型创建和网格划分， 利用 Fluent 对其进行三维数值模拟。
通过控制载荷的方法对动静叶进行三维反向优化设计，结果表明， 优化后的叶形 表面压力分布由于优化前， 载荷分布更加合理， 附面层转捩产生回流的现象得到改善， 最终优化结果使得级相对 内效率从85.23%提高到现在的92.24%， 提升了7个百分点， 明显提升了级的气动性能。
关键词： 数值模拟 反设计 载荷分布Three Dimensional Optimization Design Methodof 10MW Axial Flow Air Turbine BladeZHANG Xinyuan,AN Enke,XIA Guolong School of Mechanical Engineering,Tongji UniversityAbstract: Taking 10MW axial flow air turbine as the research object,the model is created and meshed by ANSYSICEM,and threedimensional numerical simulation is carried out by fluent.On the blade 3D reverse optimization design,through the method of load control results show that the optimized blade surface pressure distribution due before optimization,the load distribution is more reasonable,the boundary layer transition from backflow phenomenon has been improved,the final optimization result stage relative efficiency is increased from 85.23%to 92.24%now,up 7%, significantly enhance the level of aerodynamic performance.Keywords:numerical simulation,inverse design,load distribution收稿日期： 2016519作者简介： 张馨元 （1992~）， 男， 硕士研究生； 上海市嘉定区曹安公路 4800号同济大学嘉定校区开物馆A312室 （201804）； Email:*****************0 引言电能有一个非常大的缺点： 不便储存。
燃气轮机透平叶片旋流冷却技术研究综述
燃气轮机透平叶片旋流冷却技术研究综述目录一、内容综述 (2)1.1 背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状 (4)1.3 研究内容与方法 (5)二、燃气轮机透平叶片冷却理论基础 (7)2.1 热传导理论 (8)2.2 热对流理论 (9)2.3 热辐射理论 (10)2.4 综合传热理论 (11)三、旋流冷却技术原理及特点 (12)3.1 旋流冷却技术基本原理 (13)3.2 旋流冷却技术特点分析 (14)四、燃气轮机透平叶片旋流冷却结构设计 (16)4.1 喷孔结构设计 (17)4.2 油气混合物分布设计 (18)4.3 冷却通道设计 (19)4.4 叶片材料选择 (20)五、燃气轮机透平叶片旋流冷却数值模拟研究 (22)5.1 数值模拟方法概述 (23)5.2 仿真结果与分析 (24)5.3 改进措施探讨 (25)六、实验验证与性能评估 (27)6.1 实验设备与方案 (28)6.2 实验结果与分析 (29)6.3 性能评估方法 (30)6.4 与其他冷却技术的比较 (32)七、结论与展望 (33)7.1 研究成果总结 (34)7.2 存在问题与不足 (35)7.3 未来发展方向与展望 (36)一、内容综述作为一种高效、高功率的发电设备，其透平叶片在高温高压工作环境下长期运行，面临着巨大的热负荷和材料挑战。
透平叶片的冷却技术成为了燃气轮机设计中的重要环节，随着航空发动机技术的快速发展，透平叶片的旋流冷却技术也得到了广泛的研究和应用。
旋流冷却技术是一种利用旋转气流对叶片进行冷却的方法，通过形成强烈的旋流场，使冷却空气在叶片表面形成强烈涡流，从而有效地带走叶片表面的热量。
这种技术具有结构简单、冷却效果好、适应性强等优点，能够显著提高燃气轮机透平叶片的运行寿命和工作效率。
冷却空气流量优化：通过调整冷却空气的流量，可以实现对叶片温度的有效控制。
适当增加冷却空气流量可以提高叶片的冷却效果，但过高的流量也会导致风机功耗的增加和热效率的下降。
轴流透平多截面气动设计方法研究
、
进 行 功率 和反 动 度 的分 配 ， 后 在 叶排 间隙 内通 过 然 求解 流 量方 程 （ ） 欧拉 方程 （ ） 径向平衡方程 （ ） １、 ２ ３
、
和损失模型得出各叶片排各个截面的速度三角形
，
型的损失模型进行 了研究 ， 都认 为 Ｋ一０模型具有 较好的预测效果。
当方程组求解收敛后 ， 各计 算站的径 向位置和气动 参 数 同时确 定
、
设计中采用损失模型考虑流体的粘性作用 其 中损 失 模 型 选 用 了 工 程 设 计 中 常 用 的 Ｋ 一０ 模
，
，
型ｕ 。如 表达 式 （ ） 示 ， 是 Ｋ ａｅ 和 Ｏ ａｕ ４所 它 ｃｋｒ ｐｐｕ 在 Ａ Ｃ模 型 的基 础上 ， 入 了激 波 损 失 并 考 虑 ＭＤ 引 了气流的压缩性后提出的。ｆ￣ ［ ［ ］ 几种 典 ｌ Ｃ ３ ９对 Ｊ
前 后缘半径 、 安装 角 ， 以及各控制点 的相对位置 。
半径和在二维叶型中的斜率 ， ｍ为子午方 向坐标 ， 为当前 叶型 所 在 的 圆锥 面 夹角 ， 为 参 考 点 （ 型 。 叶
重心） 的角坐标 ， 点 Ｊ ，，的角坐标 。 是 ｓ 】 （ ）
３ 对某 四级燃气轮机透平 的设计
本文二维叶型几何如图 ４所示 ， 针对透平叶排
３ ４
燃 气 轮 机 技 术
第２ ４卷
内气 流加速 的流 动 特 点 ， 型线 采 用 一 段 三次 贝 塞 尔
其 中 ，、， 为点 ． ，） ｒｙ分别 ｓ 】 在三 维空 间 的 回转 （ ，
曲线和一段直线相接构成 ， 在过渡点处斜率 相等。
第２ ４卷 第 ３期
２ １ 年 ９月 ０１
透平叶片强度设计
透平叶片强度设计引言：透平叶片是透平机械中非常重要的组成部分，其强度设计对于透平机械的可靠性和安全性至关重要。
本文将围绕透平叶片强度设计展开讨论，并介绍一些常用的设计方法和注意事项。
一、透平叶片的作用和要求透平叶片是透平机械中承载气流动能的关键部件，其主要作用是将气流的动能转化为机械能，驱动透平机械的运转。
因此，透平叶片在工作过程中需要承受高温、高速的气流冲击和离心力的作用，要求具备较高的强度、刚度和耐磨性。
二、透平叶片的强度设计方法1. 强度计算方法：透平叶片的强度计算通常采用有限元分析方法，通过建立透平叶片的有限元模型，模拟叶片在工作条件下的受力情况，并计算叶片的应力和变形。
这种方法可以较为准确地预测叶片的强度和刚度，并进行合理的优化设计。
2. 材料选择：透平叶片的材料选择对于强度设计至关重要。
常用的透平叶片材料有高温合金、镍基合金等，这些材料具有较高的抗热、抗氧化和耐腐蚀性能，能够满足透平叶片在高温、高速工作环境下的要求。
3. 结构优化：为了提高透平叶片的强度，可以通过结构优化来改善叶片的受力分布和应力集中情况。
例如，采用曲线等厚度设计方法可以减少叶片的应力集中现象，提高叶片的强度和寿命。
三、透平叶片强度设计的注意事项1. 温度效应：透平叶片在高温工作环境下，会受到温度效应的影响，导致叶片的热膨胀和变形。
因此，在叶片的强度设计中，需要考虑到温度效应对叶片强度的影响，并进行相应的校正。
2. 动态载荷：透平叶片在工作过程中，会受到气流的动态载荷作用，如气流的冲击和振动等。
因此，在叶片的强度设计中，需要考虑到动态载荷对叶片的影响，并通过合理的设计和材料选择来提高叶片的抗冲击和抗振动能力。
3. 疲劳寿命：透平叶片在长期工作过程中，会受到气流的循环载荷作用，容易出现疲劳破坏。
因此，在叶片的强度设计中，需要考虑到叶片的疲劳寿命，并进行相应的疲劳强度校核和寿命预测。
4. 制造工艺：透平叶片的制造工艺对于叶片的强度和质量也具有重要的影响。
618_kW氦氙混合工质向心透平气动设计及分析
第39卷,总第226期2021年3月,第2期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol.39,Sum.No.226Mar.2021,No.2618kW 氦氙混合工质向心透平气动设计及分析徐森锫,罗 磊,杜 巍,王松涛(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)摘 要:本文针对空间核电源系统中高效、轻质的向心透平,采用一维设计结合三维数值计算的方法,设计出以氦氙混合气体为工质的向心透平。
使用ANSYS CFX 对向心透平的气动特点以及流场特性进行了数值模拟,分析了叶轮内部流动和损失分布情况,数值结果显示出所设计的向心透平有较好的气动性能,效率为84.4%,功率为618.3kW ,本文还展示了向心透平内部端壁损失、二次流损失及叶顶泄漏损失的分布情况。
关键词:氦氙混合工质;向心透平;数值模拟;气动设计中图分类号:TK262 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2021)02-0138-06Aerodynamic Design and Analysis of 618kW Radial Turbine withHelium -xenon Mixture GasXU Sen -pei,LUO Lei,DU Wei,WANG Song -tao(School of Energy Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)Abstract :In this paper,a high -efficiency,light -weight radial turbine,which is in a space nuclear power system,is designed by a method of one -dimensional design combined with three -dimensional numerical calculation.The helium -xenon mixture gas is selected as working fluid.ANSYS CFX is used to numerically simulate the aerodynamic characteristics and flow field.The internal flow and loss distribu⁃tions in the radial turbine are analyzed.The numerical results show that this turbine has good aerodynam⁃ic performance.The efficiency is 84.4%and the power is 618.3kW.The endwall loss,secondary flow loss and leakage flow loss distributions are also shown in this paper.Key words :helium -xenon mixture gas;radial turbine;numerical simulation;aerodynamic design收稿日期 2020-03-10 修订稿日期 2020-04-18作者简介:徐森锫(1997~),女,硕士研究生,研究方向为涡轮气动设计与分析。
不同攻角下透平叶栅气动性能和优化设计研究
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａｅ ｏ ｙ ａ ｃ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉ ｆｔ ｒ ｉ ｅ ｃ ｓ ａ ｅ ａ ｕ ｅ ｎ ｔ ｅ ｌ ｂ ｒ ｔ ｒ ｔｄ ｆｅ ｅ ｔ ａ ｇ ｅ ｓｓ ｕ ｉｄ ｂ ｙ — ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔ ｏ ｕ ｂ ｎ ａ ｃ ｄ ｓ ｍｅ ｓ ｒ ｄ ｉ ｈ ａ ｏ ａ ｏ ｙ ａ ｉｆ ｒ ｎ ｎ ｌ ｓｉ ｔ ｄ ｅ ｙ Ｒｅ ｎ ｃ
攻 角 下 的 气动 性 能研 究 。数 值 模 拟 得 到 实验 叶 片 的 中 叶 展 处 静 压 分 布 与 实 验 数 据 吻 合 良好 ，验 证 了数 值 方 法 的
可靠性 。研究结果表 明实验 叶片具 有 良好 的攻角适应 性 ，只有在 大 负攻角 时才会发 生流动 分 离而导 致气动性 能
Ｘ ＵＥ ｈｉ ｎｇ，ＳＵ Ｎ ａ Ｚ ｈｅ Ｈ ｏ，ＬＩＪ ｕｎ
（ ｃ ｏ ｌ ｆ Ｅｎ ｒ ｙ ａ ｄ Ｐ ｗｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ，Ｘｉ ｎ Ｊａ ｔ ｎ ｉ ｅ ｓｔ Ｓ ｈ ｏ ｅ ｇ ｎ ｏ ｒＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｏ ’ ｉ ｏ ｏ ｇ Ｕｎ ｖ ｒｉｙ，Ｘｉ ｎ，Ｓ ａ ｎ ｉ ０ ９，Ｃｈ ｎ ） ａ ’ ａ ｈ ａ ｘ １ ４ ７ ０ ｉａ
适应性 。
关键 词 ：透 平 叶 栅 ； 气动 性 能 ；攻 角 ；优 化 设 计
中 图 分 类 号 ：Ｖ ３ ． ２ １１
文献 标 志 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１０ —９） ２ １ ）４０６ ．６ ０ ７２ （ ｘ（０ ２ ０ —０ ５０
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｒ ｄ ｎａ ｉ ｓ ａ ｃ ｎ Ａｅ ｏ ｙ ｍ ｃ Ｃｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｎ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ａ ｄ Ｏｐｔｍ ａ ｓ ｇ ｆ Ｔｕ ｂ ｎｅ ｉ ｌＤｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｉ Ｃａ ｃ ｄ ａ ｋ Ａｎｇ ｅ ｓ ａ ｅ ｔ ｒ ｅ ａ ｅ ｔＤｉｆ ｒ ｎ ｔ ｃ ｌｓ
长叶片透平级多学科多目标优化设计
ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｐ ｐ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ．Ｔｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｓ ｔ ａ ｇ ｅ
科 优化 非 受控 解（ Ｐ ａ ｒ ｅ ｔ ｏ解 ） 。３个典 型的 Ｐ ａ ｒ ｅ ｔ ｏ解 与参 考 叶型 进行 比较 分析 显 示 ， 优 化后 Ｐ ａ ｒ ｅ ｔ ｏ 解下 的气 动和 强度 性 能均优 于参 考叶 型设 计 方案 ， 从 而验证 了所 建优化设 计 系统 的 实用性 。
ａ ｒ ｅ ｔ ｈｅ ｍａ ｘｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｐｅ ｃ ｉ ｆ ｉ ｃ ｐｏ ｗｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍｉ ｎｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｍａ ｘ ｉ ｍｕｍ ｖ ｏｎ Ｍｉ ｓ ｅ ｓ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ． Ｔｈｅ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂｌ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎ ｅ ｄ ｂｙ ｔ ｈｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｏ ｒ ａ ｎ ｄ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ ｂｌ ａ ｄｅ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ． Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ
关 键词 ：长叶 片 ； 透 平级 ； 气动性 能 ； 强度 ； 多学科设 计优 化 中图分 类号 ：ＴＫ２ ６ ３ 文 献标 志码 ：Ａ 文 章编 号 ：０ ２ ５ ３ — ９ ８ ７ Ｘ（ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ ０ ０ １ — ０ ６
Ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｄ ｉ ｓ ｃ ｉ ｐ ｌ ｉ ｎ ａ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ Ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｏｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ
10kW有机工质向心透平气动设计及优化研究
收稿日期:2016⁃06⁃22;最终稿修改日期:2017⁃11⁃29基金项目:国家国际科技合作专项项目(ISTCP)(2014DFA60990)。
作者简介:李 晓(1991⁃),女,工学硕士。
研究方向:有机工质汽轮机热力设计。
10kW 有机工质向心透平气动设计及优化研究李 晓1,2,张燕平2,朱志成2,黄树红1,2(1华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院,武汉430074;2华中科技大学能源与动力工程学院,武汉430074)摘要:根据给定的工质R245fa 和透平输出功率10kW,利用MATLAB 软件编写有机工质向心透平气动设计程序,对设计输入参数进行敏感性分析,并利用遗传优化算法(Genetic Algorithm)对一维气动设计进行全局优化,得到约束条件下最高轮周效率为85.76%。
在ANSYS 平台上利用一维气动设计优化结果进行三维造型设计和计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模拟。
CFD 模拟结果显示,模拟的透平输出功率与一维设计结果误差为3%,透平效率误差为2.08%,说明一维气动设计准确性。
关键词:向心透平;气动设计;全局优化;数值模拟分类号:TK14 文献标识码:A 文章编号:1001⁃5884(2018)01⁃0011⁃04Aerodynamic Design and Optimization of 10kW ORC Radial⁃inflow TurbineLI Xiao 1,2,ZHANG Yan⁃ping 2,ZHU Zhi⁃cheng 2,HUANG Shu⁃hong 1,2(1China⁃EU Institute for Clean and Renewable Energy,Huazhong University of Science and Technology,430074Wuhan,China;2School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology,430074Wuhan,China)Abstract :Computational program for aerodynamic design of ORC radial⁃inflow turbine was encoded by MATLAB,optimized for working fluid R245fa and a turbine output power of 10kW,to conduct sensitivity analysis on input parameters.The unidimensional aerodynamic design was optimized by using genetic algorithm,and a maximum wheel efficiency of 85.76%was achieved with constraints.The optimized result was used to run 3D profile design and Computational fluid dynamics (CFD)simulations by ANSYS.It is shown that the unidimensional aerodynamic design is accurate,with minor deviations of 3%on turbine output power and 2.08%on turbine efficiency.Key words :radial⁃inflow turbine ;aerodynamic design ;global optimization ;numerical simulation0 前 言近年来,由于资源短缺及环境污染等问题,对可再生能源的利用和能量回收的关注越来越多[1]。
一级半透平级叶片型线的气动优化设计研究
Ａｅｏ ｙ ａ ｃＯｐｉ ｚｔ ｎ Ｄ ｓｇ ｆｔｅＢａ ｅＰｏ ｌ ｎＯｎ ｎ ｌＴ ｒｉｅＳａｅ ｒｄ ｍｉ ｔ ａｉ ｅｉｎｏ ｌｄ ｒｆｅｉ ｅａ ｄＨａｆ ｕｂｎ ｔｇ ｎ ｍｉ ｏ ｈ ｉ
（ １中船重 工 第 ７ ４研 究所 ， 海 ２０ ３ ； 西安 交通 大学动 力与 能源 工程 学院 ， ０ 上 ０ ０ １２ 西安 ７０４ ） １０９
摘要 ： 针对一 级半透平级的直叶片 ， 用遗传算法和人工神经 网络耦合气 动性 能分析方 法 ， 采 进行 三维优化设计 。优 化设计 目标是在流量和进 出 口气 流角的约束： 条件下 ， 等熵 效率最 大 。优化设 计结果 表 明 ： 在流 量和进 出 口气流 角 的约束条件下 ， 比于初始设计 的一级半透平 级 ， 相 优化设 计得 到的等熵 效率提 高 了１６ ％ 。优化设 计得 到的动静 ．７ 叶之间的 出口气流角 匹配合理 ， 减少 了攻角损失 ； 各列 叶栅扩 压 区和扩 压梯 度均有减 少 ， 降低 了二 次流损 失 ， 提高 了等熵效率 。
ａ ｇｅ ｆ ｗ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓ ｈ ｓ ｎ ｒｐ ｃ ｅｆ ｉｎ ｆｔ ｅｏ ｔ ｌ ｅ ｉｎ ｉ ｃ ｅ ｓ ｓ１ ６ ％ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉ ｈ ｎｔ ｌ ｅ ｉｎ ｈ ｎ ｌ ｏ ｏ ｄｔ ｎ ．Ｔ ｅ ｉｅ ｔｏ ｉ ｆ ｃ ｅ ｙｏ ｐ ｉ ｌ ｉ ｉ ｈ ｍａ ｄ ｓｇ ｎ ｒ ａ ｅ ． ７ ｏ ａｅ ｔ ｔ ｅｉ ｉ ａ ｓｇ ．Ｔ ｅ ｈ ｉ ｄ
ａ ｄｈ ｆｕｂｎ ａｅ ａ ｌｃ ｄａ ｅｏｔ ｚｔ ｎｏｊｃ ｖ ｔｈ ｏｓ ａ ｔｏ ｅ ｓ ｆ ｗｒｔ ａｄｉ ｅ ｏｔｔｌ ｎ ａ ｒｉｅｓ ｇ ｓ ｅｅｔ ｓ ｈ ｐｉ ａｉ ｂｅｔ ｅ ｅｃｎｔ ｉ ｓ ｆｈ ｓ ｌ ｅ ｎ ｌ ／ｕｌ ｏ ｌｔ ｔ ｗ ｓ ｅ ｔ ｍｉ ｏ ｉ ａｔ ｒ ｎ ｔ ｍａ ｏ ａ ｎｔ ｅ ｆｗ
透平静叶的多参数气动优化设计方法
参数 的透平 静 叶进 行优化 。这个 方法包 括叶 型坐标 与参数 的 变换 、 数化 叶片 与 网格 生 成 、 参 Ｎ—Ｓ方程 数值求解 、 化策 略 四个部 分 。在 优化过 程 中 ， 优 改变
叶片 的设 计参 数 ， 通过 三 维 叶 片造 型与 网格 生成 程 序重 构 叶 片 ， 到 一 系 列 叶 片 和 网 格 数 据 。 采 用 得
厚度 Ｒ 和最 大厚 度相 对 位 置 Ｘ ＾ ｍ ／ 前／ ～ ＝Ｘｔ Ｓ， 后 ｈ
缘半径 Ｒ ， ２前 ／ 缘 厚 度 梯 度 角 ａ 、 ２ 叶 片人 。Ｒ 。如果把 对 叶 ２ １ ２ １ ， ， 片弯 、 掠设 计 考 虑 在 内 ， 要 再 增 加 相 应 的设 计 参 需
转换 的重要任 务 ， 其气 动 性 能在 很 大程 度 上 决 定 于
它 的造型 。因此 ， 高叶轮 机械 的性能 ， 提 必须 重视 叶 片优化设 计技 术 的研 究 。叶 片 设计 是 一个 复杂 、 反 复 的过程 ， 它包括许 多不 同的 目标 与参数 ， 以及 来 自
叶片 参数 化 造型 是指 对 叶 片建 模 ， 为优 化设 并
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第２ 期
透 平 静 叶 的 多 参 数 气 动 优 化 设 计 方 法
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模 拟辐射 热传 导等 。本 文采 用 Ｓｇｅａ ｄｓｌ ｒ和 ｋ ｅｒｇｔ ｏ ｅ ｅ ｖ
计过程 提供设 计变量 ［ ¨。叶片形 状可 以用 叶片表 面
上点坐标 表示 ， 是 用 较 少 的 坐标 点 很难 精 确表 达 但 出叶片形 状 ， 而且 极易 构 造 出 不 合理 叶 型。 本 方 法 用叶片 的几何参 数作 为设 计 变 量来 构 造 叶 片 ， 设 使
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第33卷 第1期2004年3月热力透平THER M A L T UR BI NEVol.33No.1Mar.2004透平叶片的气动优化设计系统袁 新1,林智荣1,赖宇阳2,陈志鹏1(1.清华大学热能工程系,北京100084;2.赛特达科技有限公司,北京100080)摘 要: 发展了一个叶轮机械叶片全三维粘性杂交问题的气动优化设计系统。
该系统包括分析技术与组合优化技术的耦合:前者基于高精度、鲁棒型的数值分析方法,已成功地用于蒸汽透平叶片的流动分析,并经详细考核已将其纳入到了实际的叶片气动设计体系;后者基于优秀的iSIGHT商用优化平台,通过对多种优化方法的集成从而发展了组合的叶片全三维气动优化策略。
数值结果与试验数据的比较表明了这一气动优化设计系统真正纳入到工业设计体系是完全可能的。
关键词: 蒸汽透平;CFD;气动优化设计中图分类号:T K263.3 文献标识码:A 文章编号:1672-5549(2004)01-0008-06Aerodynamic Optimization System for Turbine Blade DesignY UA N Xi n1,L IN Zhi2rong1,L A I Y u2yang2,CHEN Zhi2peng1(1.Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China;2.Sightna Corporation,Beijing100080,China)Abstract: An aerodynamic optimization system for the hybrid three2dimensional blade design,coupled with com2 putational fluid dynamic analysis and integrated optimization algorithms,was developed in Tsinghua University.The higher2order accurate robust CFD method has been utilized for develo pment of steam turbine blade flow analysis,its dependability has been validated by comparing the numerical results with model turbine test data.The h ybrid three2 dimensional optimization method based on iSIGHT commercial software has been develo ped for turbine blade design. The overall technical integration is starting to be used for further design optimizations and efficiency enhancement of steam turbines.K ey w ords: steam turbine;CFD;aerodynamic optimization design1 三维粘性杂交问题的气动优化设计蒸汽轮机是现代发电行业的核心动力机械之一。
蒸汽透平的效率越高,其气动损失水平就越低,对环境的污染也就越小。
为了提高透平叶片的设计水平以便能最大限度地提高其热效率,我们必须深入全面准确地了解透平内部的全工况流动状态,尽可能采用高精度的计算流体力学(CFD)分析手段来发展蒸汽透平叶片的气动优化设计方法。
近年来,清华大学与国内外蒸汽轮机制造厂家合作,在发展蒸汽透平通流部分设计方面开展了一些共同的研究,尤其在蒸汽透平叶片的流动分析与叶片气动优化设计技术方面开展了深入的研究工作。
这主要源于两方面的原因:其一是我们在高精度的数值分析技术方面提出了独具特色的方法[1],不仅用于流动损失机理的研究,还将其作为一个强有力的分析工具纳入到了叶片气动优化设计体系;其二是我们将近年来发展起来的各种先进的优化技术与我们的分析技术耦合起来[2],由此生成了叶片三维粘性杂交问题气动优化平台。
图1显示了叶片全三维粘性杂交问题气动优化平台的要素框图。
对于二维叶型成型,采用了非均匀有理B样条(Non2Uniform Rational B2 Splines)技术(简称NU RBS技术)进行叶片的参收稿日期:2003-09-20基金项目:国家重点基础研究发展规划(G1999022306)、国家自然科学基金(50076019)资助项目作者简介:袁新(1956-),男,工学博士,清华大学教授,博士生导师,主要从事叶轮机械气动热力学、计算流体力学与现代优化设计、燃气轮机与蒸汽轮机技术等研究;目前主持有国家自然科学基金、国家973、国家863、航空领域、国际合作等项目及课题。
数化生成。
对于生成二维叶片型线而言,这种曲线拟合方法更优于采用Bezier 函数等其它的拟合方法。
对于三维叶片成型,采用了NU RBS 的蒙皮技术并自动生成三维结构化网格。
在采用诸如“遗传算法”等优化手段进行全三维杂交优化过程中,其成败的关键在于“海量”计算的所谓“瓶颈”问题。
为此,在原有工作基础上,我们发展了最新的流场分析并行软件,用于微机集群计算机系统[3]。
在优化设计过程中,为了提高杂交优化的效率和精确度,我们采用了将变量的试验设计(Design of Experiments 2DOE )分析、遗传算法(G enetic Algorithm 2G A )全局搜索、响应曲面近似建模(Response Surface Model 2RSM )、RSM 与序列二次规划(Sequential Quadratic Programming 2SQ P )耦合局部寻优等组合优化方案。
图1 叶片三维粘性杂交问题气动优化平台要素框图为了验证上述平台中的关键环节的适用性,我们详细分析了典型蒸汽透平叶片的内部流场,并与试验结果进行了详细比较。
最后我们给出了一个透平叶片全三维粘性杂交问题气动优化的实例。
2 高精度鲁棒型数值分析方法由Jameson 和Y oon 等人发展的L U 2SGS 隐式格式[4]是CFD 领域内公认的高收敛率求解方法。
为了进一步提高收敛效率,我们提出了L U 2SGS 2GE (G aussian Elimination )隐式求解方法[1],用于求解Farve 平均的可压缩Navier 2Stokes 方程和低雷诺数q 2ω双方程湍流模型。
这种新型隐式格式除包含了L U 2SGS 格式的全部特色外,还巧妙利用了特殊对角化和高斯消去等技术,确保了特征相容性,没有引入分解误差、多余数值耗散项和自由参数,收敛更快捷和稳定。
为了提高计算的精确度,我们发展了改良型四(五)阶MUSCL TVD 格式,可以精确地捕捉流场中复杂的激波系、弱间断面和滑移面[5]。
3 数值分析结果的验证叶片杂交优化设计过程中,最重要的一环是流场分析的准确与否。
为了严格考核上述叶片三维粘性杂交问题气动优化平台中的数值分析环节,我们与合作伙伴一起采用了多个算例反复验证我们的软件,并最终用于了工业设计中。
本文中仅给出一个与模型透平试验[6]详细比较的算例。
本算例为某高中压透平级其中一级的流场预测。
该透平级分别由等截面直列叶片和变截面扭转叶片组成了环形静叶列和动叶列。
图2显示了该透平级的计算网格,计算中静叶与动叶均采用结构化C 型网格,网格数均为251×31×51。
为了能够进行多级分段耦合计算,计算域进出口边界条件直接采用了实际的级间测量参数;即静叶上游的总温T 01、总压p 01、气流角和动叶下游的静压p 3均采用模型透平试验数据(参见图3)。
计算中采用隐式时间推图2 透平级三维网格。
a )静叶进口总温,T 01b )静叶进口总压,p 01c )动叶出口静压,p 3图3 模型透平试验给出的透平级进出口流动条件9第1期 热力透平进法,CFL 数取为3,连续计算6000步。
为了考证分析软件部分的正确性,将所有叶列间参数的数值分析结果沿周向平均后与试验结果进行了详细比较。
图4显示了该透平级静叶出口的总压、静压、静温和速度的计算值与试验值的比较。
图5显示了该透平级动叶进口和出口相对的总压、总温、速度和S 1面气流角的计算值与试验值的比较。
图6显示了该透平级下一列静叶进口(相当于该透平级的动叶出口绝对的参数)的总压、总温、速度和S 1面气流角的计算值与试验值的比较。
尽管计算中直接采用了由试验给出的苛刻的进出口边界条件,但所有的数值分析结果仍然良好地与试验结果吻合。
由此表明了现在的正问题分析方法有很高的精度、很高的分辨率。
a )出口总压b )出口静压c )出口静温d )出口速度图4 透平级静叶出口参数的计算结果与试验数据比较a )进口相对总压b )出口相对总压01透平叶片的气动优化设计系统c )进口相对总温d )出口相对总温e )进口相对速度f )出口相对速度g )进口相对气流角(S1面)h )出口相对气流角(S1面)图5 透平级动叶进口和出口相对参数的计算结果与试验数据比较a )进口总压b )进口总温11第1期 热力透平c )进口速度d )进口气流角(S1面)图6 透平级下一列静叶进口参数的计算结果与试验数据比较4 三维粘性杂交问题的气动优化方法叶轮机械叶片弯扭联合设计是现在动力机械行业常用的气动设计方法[7]。
它通过叶片的倾斜、弯曲、扭转等提供有限的自由度,以此来控制压强沿叶高方向的变化率,从而达到增效减损的目的。
这种方法对于设计经验的依赖性较强。
直接的叶片反问题设计方法在过去的几十年中得到了一定的发展。
由于将这种方法直接推广到三维粘性设计存在很大的难度,因此杂交优化设计方法应运而生。
由于篇幅所限,本文不再对杂交优化方法做详细的综述,仅将我们的工作做一简单描述。
图7显示了我们的杂交问题组合优化设计的主要过程。
是分析技术与优化技术的多层次耦合。
在组合优化过程中,首先采用DOE 进行设计变量的筛选工作,找出对优化设计影响最剧烈的设计变量并进行排序;采用G A 进行全局搜索;采用RSM 近似建模与SQ P 优化进行局部搜索。
在上述三个环节中,都要与流场分析进行耦合迭代。
最终得到最优解。
图7 三维粘性杂交问题的气动组合优化方法流程图在高精度CFD 分析技术与组合优化技术耦合的过程中,为了加速分析过程,采用了分区并行计算方法,将现有的高精度、高分辨率的分析软件发展成为分区并行分析软件。