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多级轴流压气机气动优化设计研究

作　者: 马文生
导　师: 顾春伟
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 多级轴流压气机优化设计数值方法参数化方法遗传算法
分类号: TH453
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

燃气轮机是对国防安全和国民经济都具有重要意义的动力设备。多级轴流压气机作为燃气轮机的三大部件之一,其设计技术是燃气轮机的核心技术。由于多级轴流压气机内部流动的复杂性,高性能压气机的设计难度很大,已经成为燃气轮机技术发展的瓶颈之一。本文针对多级轴流压气机流道内各种不同的流动和损失特点,提出了“区域分解、针对优化”的总体优化思路。对主流区二维叶型损失,叶顶间隙泄漏损失,角区分离损失以及气封间隙泄漏损失采用不同的方法进行有针对的优化。分解简化了复杂优化问题,减少了优化设计的盲目性,增强了结果的可控性。基于该优化思路,集成叶片参数化造型、流场性能评价和遗传优化算法建立了正反问题相结合的多级轴流压气机分析与优化设计系统。其中,采用三次Bezier曲线表达中弧线,叠加厚度分布实现二维叶型造型,采用组合多段线表达弯掠叶片的积叠线,进行三维叶型的参数化造型,通过求解三维粘性流场进行性能评价,采用改进的遗传算法实现最优化搜索。针对多级优化的难点问题,提出了“目标函数分解、并行优化”的多级优化问题的解决方案,实现了对多级优化问题的快速有效求解。并分别进行了单排和多级轴流压气机优化设计实例研究。某多级轴流压气机的高压级两级和某多级轴流压气机跨音级两级半的优化设计研究结果证明了该多级轴流压气机优化设计系统的可靠性,其中“目标函数分解、并行优化”的多级优化方案节约了计算时间,具有很大的工程应用价值。另外,本文还针对压气机静叶根部的气封泄漏问题,提出了一个增加上游气封口削角的优化方案,定常和非定常的计算结果表明,该优化方案有效地控制了泄漏流和主流的掺混,减少了掺混损失,提高了压气机效率。综上所述,“区域分解、针对优化”的优化思路是合理可行的,据此建立的多级轴流压气机优化设计系统解决了多级优化的难点问题,能够快速有效地进行多级轴流压气机的优化设计。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-10
第1章引言  10-29
  1.1 前言  10-11
  1.2 研究背景  11-12
  1.3 压气机内损失的组成及产生机理  12-18
    1.3.1 叶型损失  13
    1.3.2 端壁二次流损失  13-18
    1.3.3 通道二次流损失  18
  1.4 压气机设计方法的发展  18-27
    1.4.1 压气机叶型设计方法的发展  19-21
    1.4.2 压气机叶型优化设计方法的发展  21-26
    1.4.3 压气机流道优化设计方法的发展  26-27
  1.5 压气机优化设计研究所面临的主要问题  27-28
  1.6 论文的主要研究内容  28-29
第2章相关技术理论、方法及应用  29-56
  2.1 本章引论  29
  2.2 数值计算方法及CFD 程序验证  29-36
    2.2.1 控制方程  29-30
    2.2.2 湍流模型  30-32
    2.2.3 网格技术  32-34
    2.2.4 CFD 程序验证  34-36
  2.3 叶型设计方法  36-49
    2.3.1 反问题设计  36-40
    2.3.2 弯掠叶片设计  40-49
  2.4 Bezier 曲线与叶片造型实现  49-55
    2.4.1 Bezier 曲线的定义  49-50
    2.4.2 Bezier 曲线的性质  50-52
    2.4.3 Bezier 曲线的递归分割算法  52-53
    2.4.4 Bezier 曲线的修改  53-54
    2.4.5 压气机叶片参数化造型实现  54-55
  2.5 本章小结  55-56
第3章基于遗传算法的压气机优化设计系统研究  56-81
  3.1 本章引论  56
  3.2 遗传算法  56-69
    3.2.1 相关术语  57
    3.2.2 标准遗传算法  57-63
    3.2.3 标准遗传算法存在的问题  63-65
    3.2.4 两种改进的遗传算法  65-67
    3.2.5 本文对遗传算法的改进方法  67-69
  3.3 改进遗传算法的程序实现和函数验证  69-73
  3.4 压气机优化设计的总体思路  73-74
  3.5 多级轴流压气机优化设计系统研究  74-80
    3.5.1 叶片的参数化造型模块  76
    3.5.2 网格生成模块  76-77
    3.5.3 流场性能评价模块  77
    3.5.4 反问题求解模块  77-79
    3.5.5 正问题遗传优化模块  79-80
  3.6 本章小结  80-81
第4章压气机单排叶片的优化设计研究  81-95
  4.1 本章引论  81
  4.2 某一压气机动叶排的优化设计  81-89
    4.2.1 研究对象  81
    4.2.2 研究方法  81-85
    4.2.3 优化设计结果与分析  85-89
  4.3 某一压气机静叶排的优化设计  89-94
    4.3.1 研究对象  89-90
    4.3.2 研究方法  90
    4.3.3 优化设计结果与分析  90-94
  4.4 本章小结  94-95
第5章多级轴流压气机的优化设计研究  95-131
  5.1 本章引论  95
  5.2 多级轴流压气机优化问题难点和解决思想  95-99
  5.3 某一多级轴流压气机高压级两级的优化设计  99-120
    5.3.1 研究对象  99
    5.3.2 研究方法  99-100
    5.3.3 优化设计结果与分析  100-120
  5.4 某一多级轴流压气机跨音级的优化设计  120-129
    5.4.1 研究对象  120
    5.4.2 研究方法  120-121
    5.4.3 优化设计结果与分析  121-129
  5.5 本章小结  129-131
第6章静叶根部气封几何结构的优化设计研究  131-147
  6.1 本章引论  131
  6.2 气封几何优化方法  131-133
    6.2.1 优化思路的提出  131-132
    6.2.2 气封几何优化方案  132-133
  6.3 模型假设和数值方法  133
  6.4 定常计算及结果分析  133-141
    6.4.1 总性能的变化  133-134
    6.4.2 上游气封口和主流结合处气动参数分析  134-136
    6.4.3 静叶进口处气动参数分析  136-138
    6.4.4 其它相关气动参数分析  138-141
  6.5 非定常计算及结果分析  141-146
    6.5.1 网格和边界条件相关设置  141
    6.5.2 总性能的变化  141-142
    6.5.3 流场分析  142-146
  6.6 本章小结  146-147
第7章结论和展望  147-150
参考文献  150-160
致谢  160-161
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  161

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