关键词：叶轮机械;;S1流面;;反方法;;数值模拟;;气动设计
摘 要：叶轮机械动力装置在国民经济各部门得到了广泛应用,其工作原理基于叶片和流体工质间的能量转换,因此,快速、有效地设计高性能叶片是提高叶轮机械运行效率的关键。本文基于S1流面理论,对不同型式叶轮机械叶片开展了粘性反设计,旨在降低叶栅气动损失进而提高运行效率。反设计过程中,基于MIT燃机实验室开发的MISES求解器,通过合理给定截面叶型的流片厚度分布评估S1流面叶栅性能,并与三维计算结果对比来验证S1流面求解精度和分析误差存在的原因,随之应用Mixed模式反方法根据预定的叶型表面压力分布修改叶型,并采用了临时“冻结”边界层方法来提高计算鲁棒性和加速设计收敛。首先,对有、无分流叶片离心叶轮开展了粘性反设计。无分流叶片离心叶轮反设计过程中,采用前加载的方式对10%和90%叶高截面压力分布进行修改,以在增大前缘载荷的同时降低入口激波强度。反设计叶轮较原始叶轮的工况范围向大流量点偏移,叶轮高效运行区增大。同时,叶轮出口吸力面二次流得到明显削弱,盖侧附近叶片前缘激波强度明显降低;有分流叶片离心叶轮的反设计过程中,通过削弱分流叶片前缘对主叶片压力面压力分布的干扰,分流叶片的部分载荷转移到主叶片,叶轮出口段的低速区以及分流叶片前缘的马赫数均得以降低。随后,对叶片扩压器进行了S1流面反设计,并开展三维叶片扩压器气动造型。叶片扩压器的反设计过程中,采用前加载方式,增大吸力面半无叶区压力梯度,中后部采用降低的压力梯度,可有效降低叶片压力面尾部低速回流区;基于叶轮出口气流角分布来调整扩压器叶片入口角进行三维造型,通过对比发现匹配大流量工况下叶轮出口气流角分布得到的三维叶片扩压器对压缩机性能改善较为明显,而匹配小流量工况下叶轮出口气流角分布得到的三维叶片扩压器叶顶发生扭曲,通过几何变换分析叶片扭曲的原因,并总结了一定的造型规律。最后,发展了跨声速涡轮激波弱化的叶片反设计体系。轴流涡轮动叶的反设计过程中,通过消除涡轮动叶出口处的压力台阶,降低压力恢复梯度,从而降低激波强度,减少激波与尾迹的干扰。反设计所得涡轮低背压工况下运行效率明显提高,高效运行区增大。通过以上对不同叶轮机械叶片的反设计工作,验证了本文S1流面粘性反方法的可行性以及适用性,这对完善叶轮机械叶片设计体系具有重要的意义。
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