某型燃机涡轮过渡段流场优化设计

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题来源本课题来源于608所的一个实际航空发动机项目，该航空发动机为涡桨发动机，其涡轮部分由燃气发生器涡轮和动力涡轮两个涡轮组成，燃气发生器涡轮1级、动力涡轮2级，而二者之间的部分是过渡段，过渡段内有6个沿圆周均布的导流支板。涡轮中的工质为燃气，涡轮的进气总温为1420K，总压为1.041Mpa，出口静压为0.0984Mpa。两个涡轮的转速分别为45000rpm和20900rpm。原型机过渡段部分的气动效率较低。要求通过对过渡段进行优化设计以提高涡轮的气动性能。1.2研究目的和意义本

2、课题的研究目的在于针对于已有的涡轮过渡段（气动参数、几何参数已知），应用CFD数值软件NUMECA/Fine进行数值计算，分析找出过渡段总压恢复系数较低的原因，再利用FINE/Desian3D的人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork）与遗传算法（GeneticAlgorithm）相结合的优化体系对过渡段流场进行优化设计，以提高涡轮的整体效率。[-]13由于准三维和三维设计体系的不断成熟，以及CFD技术的不断发展，[-]49叶轮机械的设计取得了空前的发展。这使得原有的设计方法和产品设计已略显落后，然而重新设计

3、工作量大而且对于有的情况也没有必要进行全面的重新设计，所以对原有设计进行优化设计就成为了一条可行和有益的技术路线。本课题的意义在于利用NUMECA软件成熟的以遗传算法为基础的优化体系对过渡段进行优化设计，充分利用FINE/Design3D的自动优化能力，以较短的时间和较少的花费改善涡轮过渡段气动性能以提高涡轮的工作效率；同时通过大量的优化方案也可以总结出具体的优化方法和基本结论，从而为类似的优化工作提供可资借鉴的优化措施和指导方法。-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.3涡轮优化设计的相关情况透平机械优化设计是一个非常重要的工

4、程研究课题，它能够反映透平机械领域当前的发展程度和技术水平。八十年代以来，随着最优化理论和方法、计算流体动力学以及计算机技术等各方面技术的迅速发展，透平机械优化设计方面取得了很大的发展，国内外许多学者进行了许多优化方面的探索和研究，特别是随着计算流体力学（CFD）的发展，大量的文献用CFD技术对涡轮叶片进行二维和三维优化设计，得到了更精确的计算方法和更好的设计结果。随着叶栅参数化技术在叶轮机械优化领域的应用和快速发展，遗传算法等全局优化方法也开始应用到透平机械优化设计领域中来，CFD与优化算法相结合的涡轮机械优化设计技术已逐渐成

5、为广大科研工作者关心和研究的热门课题。1.3.1数值计算方法自1952年著名学者吴仲华先生提出了三元流理论[10]以来，数值实验方法就成为了叶轮机械设计中的一个重要手段。在近几十年中，作为叶轮机械核心技术之一的计算流体力学，在计算方法研究和应用程序开发方面都有了巨大的进步。与此相应，叶轮机械的设计方法也由过去的主要依靠经验向主要依靠计算流体力学软件的方向过渡，目前，西方发达国家利用计算流体力学（CFD）等计算技术，正在进行一场“设计革命”，已基本完成从以大量试验为前提的“传统设计”向以CFD和计算机仿真为主要手段的“预测设计”的

6、转变，从而使先进叶轮机械的研制周期大大缩短。1974年Denton[11]首次通过数值计算得到了叶轮机械的三维定常流场。八十年代初，一些优秀的数值格式和计算方法的出现从客观上加速了叶轮机械数值计算的发展。比较著名的算法有Lax-Wendroff格式[12]、TVD[13-15]格式、多重网格法，以及在九十年代兴起的区域分解算法。九十年代以来非定常的三维粘性流计算程序开始不断应用到涡轮机械内部流场的数值模拟中来[16]，考虑动、静叶干涉[17-19]以及动叶顶部间隙[20]等流动细节的数值模拟大量出现，并开始应[21,22]用于多

7、级计算。与实验研究方法比较，理论计算有如下长处：耗资少、数值实验速度快、适合于优化设计、信息量全面而完整（即可提供实验无法达到的感兴趣区域的信息）以及模拟真实与理想条件的能力很强。就目前在N-S方程求解方面所取[23-25]得的进展而言，在微观上已经能够预测马蹄涡、通道涡、泄露涡甚至壁角-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文涡的形成和发展以及激波与边界层的相互作用、尾迹的耗散等物理现象，甚至还可以发现流场中的新的物理现象。例如Campbell和Mueller等人在流场数值实[26]验中，发现了亚音速斜坡绕流中的分离现象，又如Kim

8、和Moin等在流场的数[27,28]值计算中发现了倒马蹄涡，这些后来都被实验研究所证实。随着数值模拟准确性的提高，目前在大多数研究机构中，已把通过N-S方程求解来优化涡轮设计，作为一个必不可少的手段，同时N-S方程求解水平的[29]高低也是衡量一个研究机构设计能