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《哈尔滨工程大学》 2017年
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单级轴流压气机气动优化设计

曲锋  
【摘要】:压气机作为燃气轮机的三大部件之一,一直处于燃气轮机技术研究中的核心地位。而高性能压气机的设计难度之大,也一直是桎梏燃机发展的主要瓶颈。如何提高压气机叶片的气动性能成为了研究的热点。本文针对NASA的Stage35单级轴流压气机进行了数值模拟计算并与实验值进行比较确定了数值模拟结果的可靠性。进而本文又对Stage35型压气机进行了全工况的数值模拟计算,并绘制其压气机特性曲线。分析了不同工况下其工作性能的变化。针对压气机动叶叶顶间隙的大小,本文不断改变动叶叶顶间隙的数值,模拟并绘制了不同叶顶间隙时压气机在100%设计转速下的特性曲线,分析发现当叶顶间隙在设计值0.04cm时压气机工作性能良好,压气机的绝热效率最高,总压比最大。当叶顶间隙增大到0.06cm甚至0.08cm时,流线由压力面翻过叶顶进入压力面的趋势得到增强,叶顶泄露损失急剧增大,压气机的工作性能降低,工作流量范围大大减小。为了对Stage35动叶进行优化设计,必须先对其进行参数化拟合得到参数化叶片。本文介绍了叶片参数化拟合时,Bezier曲线、B样条曲线及Line-Bezier-Line复合曲线等拟合曲线各自的特点,介绍了不同流面、径向分布等定义方式,比较了不同叶片积叠方式和叶片型线拟合的优缺点,最终通过合理的选取初始拟合参数,对Stage35动叶进行了参数化拟合计算,得到其吻合良好的参数化几何模型。最后基于Design3D优化平台,采用人工神经网络和遗传算法相结合的优化设计体系对动叶在设计工况下以10个可以改变叶片弯掠特性的参数为自由参数,以绝热效率为目标函数进行寻优计算。通过50步的优化迭代计算得到了最后的优化叶片。单独动叶的优化结果良好。将原压气机动叶替换成优化后的叶片,并对优化后的压气机性能进行分析。对比发现,通过对动叶的弯掠特性的优化可以改变激波的位置,减小了叶片表面附面层的分离区,优化流场通道内的流动结构,减小损失,提高压气机的绝热效率。综上所述,通过改变叶顶间隙的大小对压气机性能的影响十分显著。对叶型弯掠特性的改变可以控制激波的位置变化,有效优化内部流场结构。基于人工神经网络和遗传算法相结合的优化体系是提高压气机气动性能的有效方法。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TK474.8

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