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涡轮导叶压力面分区域复合角气膜冷却特性

航空动力学报 2024年第3期39卷 42-51页

作者：张深李国庆刘浩康忠张燕峰卢新根中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院大学航空宇航学院北京100049 华北电力大学能源动力与机械工程学院北京102206

针对通道二次流造成涡轮叶片压力面气膜轨迹发生偏转的现象,提出了沿展向分区域布置复合角的设计概念。以高压涡轮导叶HS1A为研究对象,采用数值模拟的方法,在出口雷诺数为2.3×10^(5)的工况下,分析了二次流、复合角和吹风比对气膜冷却... 详细信息

针对通道二次流造成涡轮叶片压力面气膜轨迹发生偏转的现象,提出了沿展向分区域布置复合角的设计概念。以高压涡轮导叶HS1A为研究对象,采用数值模拟的方法,在出口雷诺数为2.3×10^(5)的工况下,分析了二次流、复合角和吹风比对气膜冷却特性的影响。结果表明:近端区二次流产生的径向潜流具有促进气膜展向覆盖的能力,相较于叶中区提高了气膜孔出口下游的冷却效率,但也会加剧射流和主流的掺混,减小气膜的有效覆盖长度;针对不同展向区域的二次流大小,精细化布置各区域的气膜孔复合角,可以将气膜轨迹的偏转角度全部修正为0°,同时将平均气膜冷却效率提升了10.42%;复合角冷却模型在吹风比为0.5~1.0时具有较好的范围适用性,吹风比增大至1.3时气膜轨迹会发生反向偏转。

关键词：涡轮导叶气膜冷却通道二次流分区域复合角气膜冷却效率

基于可调叶高扩压器的离心压气机构型流动机理研究

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内燃机学报 2024年第4期42卷 343-350页

作者：李紫良赵江彬卢新根朱俊强西北工业大学动力与能源学院陕西西安710072 中国科学院工程热物理研究所轻型动力实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

离心叶轮/扩压器匹配关系恶化直接限制了离心压气机的稳定工作范围.以Radiver离心压气机为研究对象,借助经过校核的数值模拟方法开展了基于可调叶高扩压器的离心压气机叶轮/扩压器匹配关系及流动机理研究.结果表明:通过建立能够指导扩... 详细信息

离心叶轮/扩压器匹配关系恶化直接限制了离心压气机的稳定工作范围.以Radiver离心压气机为研究对象,借助经过校核的数值模拟方法开展了基于可调叶高扩压器的离心压气机叶轮/扩压器匹配关系及流动机理研究.结果表明:通过建立能够指导扩压器叶高调节方向和量值的“压气机工作流量-扩压器最佳叶高”正相关对应关系,即可在压气机近失稳点等小流量点主动降低扩压器叶高以改善压气机稳定工作裕度.在设计转速下,引入可调叶高扩压器能够使离心压气机的稳定裕度提升18.8%、流量范围拓宽385%且峰值效率提高0.45%;随着压气机工作点向小流量工况偏移,降低扩压器叶高可以抑制扩压器来流正攻角,优化重构其通道内部涡系结构,减小扩压器吸力面和压力面/轮毂角区的低速区,进而改善叶轮/扩压器匹配关系,抑制扩压器内部流动失稳发生,提升离心压气机稳定裕度和效率指标.

关键词：离心压气机可调叶高扩压器叶轮/扩压器匹配流动机理

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掠型设计调控跨声速离心压气机内部流动机理

航空动力学报 2022年第4期37卷 826-835页

作者：李子良韩戈朱俊强卢新根中国科学院工程热物理研究所轻型动力实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 中国科学院轻型动力创新研究院北京100190

跨声速离心压气机面临进口激波控制的难题,探索前缘掠型对跨声离心压气机影响机理对于进一步提升离心压气机性能具有重要意义。以两台跨声速离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟手段探究了不同前缘掠型下压气机的性能及流场变... 详细信息

跨声速离心压气机面临进口激波控制的难题,探索前缘掠型对跨声离心压气机影响机理对于进一步提升离心压气机性能具有重要意义。以两台跨声速离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟手段探究了不同前缘掠型下压气机的性能及流场变化。结果表明:设计工况下叶轮入口的激波位置直接决定了前缘掠型设计的作用效果。掠型设计通过改变导风轮叶顶载荷分布,进而影响其通流能力,同时改变了其入口激波结构和流动损失。当叶轮入口叶顶激波呈吞入状态时,采用前缘后掠会减弱槽道激波强度,从而减小导风轮叶顶附近损失;当叶轮入口叶顶激波呈脱体状态时,采用前缘前掠会减弱前缘激波强度,使得激波更加附体,从而减小导风轮叶顶附近损失。

关键词：跨声速离心压气机流动控制前缘掠型载荷分布激波结构

采用多层次优化方法的超紧凑GTF增压级气动设计

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航空动力学报 2023年第5期38卷 1226-1238页

作者：黄松赵胜丰阳诚武李子良卢新根中国科学院工程热物理研究所轻型动力重点实验室北京100190 中国科学院中国科学院大学北京100049 中国科学院轻型动力创新研究院北京100190

为克服超紧凑齿轮传动涡扇(GTF)发动机增压级优化设计面临的高维、耗时、黑箱三大难题,发展了一套精准高效可靠的优化设计方法,运用多目标粒子群算法结合下降单纯形算法的多层次优化策略,具有优化变量少、求解速度快、寻优能力强的优势... 详细信息

为克服超紧凑齿轮传动涡扇(GTF)发动机增压级优化设计面临的高维、耗时、黑箱三大难题,发展了一套精准高效可靠的优化设计方法,运用多目标粒子群算法结合下降单纯形算法的多层次优化策略,具有优化变量少、求解速度快、寻优能力强的优势。优化设计后,GTF增压级在100%设计转速下的峰值效率和失速裕度分别提升0.27%和1.31%。相比于复合弯掠高负荷静子原型,高负荷静子优化构型通过改变整个展向的叶型特征和三维积叠规律,使得自20%叶展至叶尖的流动分离向下游移动,减少由叶尖向轮毂的径向迁移和吸力面尾缘附近低速回流区域的范围,延缓了GTF增压级失速的发生,提升了GTF增压级的效率。

关键词：齿轮传动涡扇(GTF) 增压级多目标粒子群算法多层次优化峰值效率

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机器学习在涡轮机械中的应用进展

工程热物理学报 2023年第4期44卷 938-951页

作者：刘浩李国庆张深李昂张燕峰卢新根中国科学院工程热物理所/轻型动力重点实验室北京100190 中国科学院大学航空宇航学院北京100049 轻型动力创新研究院北京100190

涡轮机械在工业中广泛应用,是实现能源转化利用的重要载体。随着涡轮机械的不断发展,利用数值仿真和实验手段对其性能改进空间有限,难以满足与日俱增的工程需要。近年来,随着人工智能和数据驱动技术的快速发展,机器学习作为其主要分支,... 详细信息

涡轮机械在工业中广泛应用,是实现能源转化利用的重要载体。随着涡轮机械的不断发展,利用数值仿真和实验手段对其性能改进空间有限,难以满足与日俱增的工程需要。近年来,随着人工智能和数据驱动技术的快速发展,机器学习作为其主要分支,备受关注,在诸多领域展现了巨大的应用潜力。将机器学习应用于涡轮机械,对于涡轮机械部件优化设计具有效率高、可泛化等优点,同时使涡轮机械部件寿命预测、健康监测和故障诊断变得更加智能高效,为涡轮机械发展带来了新的契机。综述了机器学习的基本原理以及经典机器学习算法,对机器学习在涡轮机械部件如叶片、轮盘和密封组件的研究进展进行了系统阐述,分析了机器学习在涡轮机械上述领域应用中的问题及发展趋势。

关键词：机器学习涡轮机械叶片轮盘密封

壁面换热条件下高负荷压气机叶片分离剪切层转捩机理研究

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工程热物理学报 2023年第9期44卷 2376-2389页

作者：王名扬阳诚武赵胜丰张燕峰卢新根中国科学院工程热物理研究所/轻型动力重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

本文采用大涡模拟(LES)方法研究了低雷诺数(Re=1.5×10^(5))下不同壁面条件(绝热壁和等温冷却壁)对两种不同负荷水平的压气机叶片(IET-ULF1和IET-ULF2)分离剪切层转捩特性的影响。研究表明:壁面冷却减小了近壁气流运动黏性,削弱湍流耗... 详细信息

本文采用大涡模拟(LES)方法研究了低雷诺数(Re=1.5×10^(5))下不同壁面条件(绝热壁和等温冷却壁)对两种不同负荷水平的压气机叶片(IET-ULF1和IET-ULF2)分离剪切层转捩特性的影响。研究表明:壁面冷却减小了近壁气流运动黏性,削弱湍流耗散对分离剪切层应起的稳定作用。对于压气机叶片IET-ULF1,壁面冷却诱发剪切层更快失稳,显著加速转捩过程;对于具有更高负荷水平的叶片IET-ULF2,壁面冷却对转捩的调控效果相对较弱。分离剪切层下方回流掺混、大尺度三维发卡涡破碎以及近壁低能流体的“上喷–下扫”过程决定了湍流脉动水平和气动损失。当存在壁面冷却时,分离剪切层转捩过程涡动力学强度受到抑制,湍流脉动产生速率减小,延缓了边界层发展,IET-ULF1和IET-ULF2叶型损失分别降低18.2%和22.1%。

关键词：壁面换热压气机叶片分离剪切层转捩气动损失

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收缩型双射流孔气膜冷却特性与损失机理

航空动力学报 2023年第2期38卷 335-343页

作者：康忠李国庆张深王晓东张燕峰卢新根中国科学院工程热物理研究所轻型动力重点实验室北京100190 华北电力大学能源动力与机械工程学院北京102206 中国科学院大学航空宇航学院北京100049

在兼顾气膜冷却效率的条件下,为了降低气膜冷却带来的气动损失,采用数值模拟的方法研究了双射流孔和收缩型双射流孔的气膜冷却特性。对比分析了不同吹风比(0.5~2.0)工况下气膜冷却效率和损失分布规律。结果表明:当吹风比高于1.0时,收缩... 详细信息

在兼顾气膜冷却效率的条件下,为了降低气膜冷却带来的气动损失,采用数值模拟的方法研究了双射流孔和收缩型双射流孔的气膜冷却特性。对比分析了不同吹风比(0.5~2.0)工况下气膜冷却效率和损失分布规律。结果表明:当吹风比高于1.0时,收缩型双射流孔促进冷气横向发展,冷却效率提高;当吹风比增加到2.0时,收缩型双射流孔可以防止冷气吹离壁面。与双射流孔相比,收缩型双射流孔入口冷气均匀加速,消除了孔内低速区造成的堵塞,流场趋于均匀,孔内损失明显降低,从而整体上降低了气膜冷却引起的总压损失。

关键词：气膜冷却气膜冷却效率总压损失气膜孔损失机理

低雷诺数下高负荷轴流压气机表面粗糙度流动调控机制

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航空动力学报 2022年第2期37卷 283-295页

作者：程泓智王名扬周创鑫赵胜丰卢新根朱俊强中国科学院工程热物理研究所轻型动力重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 中国科学院轻型动力创新研究院北京100190

以某1.5级高负荷轴流压气机为研究对象,采用经过校核的数值模拟手段详细探究了低雷诺数下表面粗糙度对其气动性能及内部流场的影响。结果表明:相比于光滑叶片,表面粗糙度为137.8时压气机性能提升最为明显,总压比、堵塞流量以及峰值效率... 详细信息

以某1.5级高负荷轴流压气机为研究对象,采用经过校核的数值模拟手段详细探究了低雷诺数下表面粗糙度对其气动性能及内部流场的影响。结果表明:相比于光滑叶片,表面粗糙度为137.8时压气机性能提升最为明显,总压比、堵塞流量以及峰值效率分别提升4.01%、2.24%、5.34%。在整个表面粗糙度大小范围内,表面粗糙度布置在吸力面前缘至50%轴向位置时对分离、转捩的调控效果较好,能够较大限度地提升低雷诺数下压气机的气动性能。表面粗糙度通过促进转捩、抑制层流分离以及改变速度和静压分布来改善压气机流场和气动特性,同时一定程度上恶化了后面级的级间匹配关系,造成静子叶根处分离提前,角区分离加剧,限制了压气机整体气动性能的进一步提高。

关键词：叶片表面粗糙度低雷诺数高负荷轴流压气机峰值效率气动性能

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超高压比离心压气机失速机理探究

工程热物理学报 2022年第2期43卷 309-315页

作者：张英杰韩戈李庆阔张子卿张燕峰卢新根中国科学院工程热物理研究所轻型动力重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

喘振和旋转失速代表着通过压气机有序流动的崩溃,是对所有类型压气机性能的固有限制。本文以超高压比离心压气机为研究对象,通过全环数值模拟捕捉失速起始至发展为稳定旋转失速的动态过程。研究发现:在此超高压比离心压气机内,径向扩压... 详细信息

喘振和旋转失速代表着通过压气机有序流动的崩溃,是对所有类型压气机性能的固有限制。本文以超高压比离心压气机为研究对象,通过全环数值模拟捕捉失速起始至发展为稳定旋转失速的动态过程。研究发现:在此超高压比离心压气机内,径向扩压器进口为超音速来流并在喉部形成强烈的激波,节流过程中气流攻角逐渐增大,造成了严重的激波附面层分离现象触发了失速;此外,当失速过程发展成熟时,周向形成6个失速区域沿叶轮旋转的反向进行传播,不同于传统失速模型中失速团沿叶轮旋转的方向进行周向传播。

关键词：超高压比离心压气机失速先兆反向传播