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以高壓渦輪導(dǎo)葉為研究對象,對其輪轂進行非軸對稱端壁優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化目標為在保證導(dǎo)葉入口質(zhì)量流量盡量不變的前提下,使出口處的總壓損失系數(shù)最小。對優(yōu)化前后的高壓渦輪導(dǎo)葉進行了全三維數(shù)值模擬,并對比分析了優(yōu)化前后渦輪導(dǎo)葉出口處的氣動性能,以探討非軸對稱端壁造型對高壓渦輪導(dǎo)葉通道內(nèi)流場的影響,以及在降低二次流損失上的能力。
1.1優(yōu)化設(shè)計方法
優(yōu)化過程中,采用端壁參數(shù)化造型、三維N-S方程流場求解與基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetwork)的遺傳算法(GeneticAlgorithms)相結(jié)合的方法,對高壓渦輪導(dǎo)葉進行非軸對稱端壁造型設(shè)計。如圖1所示。首先,對端壁進行參數(shù)化并生成若干端壁曲面控制點,對控制點進行隨機賦值,再進行三維流場計算,建立一個有限個樣本的數(shù)據(jù)庫。然后,對目標函數(shù)及其權(quán)重進行設(shè)定,并開始參數(shù)優(yōu)化,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)對數(shù)據(jù)庫的學(xué)習(xí)及對網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)接權(quán)的不斷訓(xùn)練,能夠很好地預(yù)測出控制點與目標函數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。然后通過遺傳算法可以找到上述函數(shù)關(guān)系的最優(yōu)解(即最佳非軸對稱端壁造型),如果不滿足收斂條件,將對優(yōu)化結(jié)果進行一次流場計算,生成一個新的樣本添加到數(shù)據(jù)庫中,然后再進行一次循環(huán),隨著循環(huán)的進行,數(shù)據(jù)庫中的樣本數(shù)越來越多,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也能夠更準確的預(yù)測出目標函數(shù)和控制點之間的函數(shù)關(guān)系,從而找到最優(yōu)解。
1.2端壁參數(shù)化
選取任一葉片通道為造型區(qū)域,端壁造型的參數(shù)化就是針對該區(qū)域進行的。如圖2所示,以葉片中弧線為基準,在葉片通道內(nèi)沿周向選取5條等分的平行切割線,即在葉片通道內(nèi),相鄰切割線之間的周向距離為通道寬度的25%。沿每條切割線均勻的設(shè)置了9個點,其中中間5個藍色點是可控制點,兩端的紅色點是為確保通道出入口處的光滑過渡(及葉片前后緣處端壁和角度連續(xù))而設(shè)置的固定點。因此,控制點共有20個。圖3給出了端壁型線沿軸向構(gòu)造示意圖,即數(shù)值優(yōu)化過程中通過Bezier曲線生成端壁切割線的原理示意圖。每個控制點沿葉高的變化范圍為-9~9mm,即占葉高的15%。最后,參數(shù)化后的非軸對稱端壁是通過這組切割線生成的放樣曲面,如圖4。
1.3目標函數(shù)的設(shè)定
在本文的優(yōu)化設(shè)計中,目標函數(shù)應(yīng)滿足在保證優(yōu)化前后高壓渦輪導(dǎo)葉的進口質(zhì)量流量盡量不變的前提下,渦輪導(dǎo)葉出口總壓損失系數(shù)最小化。目標函數(shù)具體定義如下式中下標m和Cpt分別是導(dǎo)葉進口質(zhì)量流量和出口總壓損失系數(shù),w為相應(yīng)參數(shù)的權(quán)重因子,Qobj為相應(yīng)參數(shù)的目標值,Q為相應(yīng)參數(shù)的計算值,Qref為相應(yīng)參數(shù)的參考值,一般取為目標值Qobj,若目標值Qobj=0時,參考值Qref取為1。因此,根據(jù)公式(1)可知,在目標函數(shù)OF中引入權(quán)重因子w將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化問題,并且,通過調(diào)整各參數(shù)的權(quán)重因子w可以實現(xiàn)不同的優(yōu)化目的,從而導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果有不同的側(cè)重點。本文在優(yōu)化過程中更側(cè)重于渦輪導(dǎo)葉出口處總壓損失系數(shù)的最小化。表1給出了目標函數(shù)的具體設(shè)定,可見,導(dǎo)葉出口總壓損失系數(shù)在目標函數(shù)中占的比例較大,達到75.12%。優(yōu)化后的非軸對稱端壁等高線圖見圖5。
2數(shù)值模擬
數(shù)值計算采用Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型求解相對坐標系下的三維時均守恒型Reynold-AveragedNavier-Stokes(RANS)控制方程,空間離散格式為中心差分格式。高壓渦輪導(dǎo)葉采用O4H網(wǎng)格結(jié)構(gòu),近壁面處進行了加密處理,最貼近壁面網(wǎng)格與壁面間距為5×10-6m,總網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約為36萬。邊界條件為進口給定總壓、總溫,并設(shè)定軸向進氣;出口給定靜壓;壁面給定無滑移邊界條件。
3結(jié)果和分析
為了便于對比和分析,本文用AEW(AxisymmetricEndWall)代表優(yōu)化前軸對稱端壁,用NEW(Non-axisymmetricEndWall)代表優(yōu)化后非軸對稱端壁。
3.1入口質(zhì)量流量
表2給出了優(yōu)化前后高壓渦輪導(dǎo)葉進口質(zhì)量流量的加權(quán)平均值,對比AEW和NEW可知,由于優(yōu)化過程中通過目標函數(shù)的設(shè)定對質(zhì)量流量進行了人為的控制,NEW對進口質(zhì)量流量的影響很小,約為0.08%。
3.2總壓損失系數(shù)式中pt_inlet為渦輪導(dǎo)葉進口總壓
pt為渦輪導(dǎo)葉當?shù)乜倝?;ρoutlet和voutlet分別為渦輪導(dǎo)葉出口密度和出口速度。表3給出了優(yōu)化前后高壓渦輪導(dǎo)葉出口質(zhì)量加權(quán)平均總壓損失系數(shù)Cpt的計算結(jié)果,從表3中可以看出,NEW比AEW的總壓損失系數(shù)Cpt降低了3.724%。圖6對比了優(yōu)化前后高壓渦輪導(dǎo)葉出口周向質(zhì)量加權(quán)平均的總壓損失系數(shù)沿葉高的變化情況。根據(jù)圖6可以看到,盡管NEW使渦輪導(dǎo)葉出口處的總壓損失在近端壁附近有少量的增加(即約4%葉高以下),但在4%到16%葉高(Span)處總壓損失下降最為明顯,從16%葉高到葉頂?shù)姆秶鷥?nèi),導(dǎo)葉出口處的總壓損失在非軸對稱端壁的作用下均有少量的減小。圖7給出了AEW和NEW在渦輪導(dǎo)葉出口截面處總壓損失系數(shù)Cpt的云圖。從圖中可以看出,通過圖中的對比可以看出,NEW使得渦輪導(dǎo)葉出口截面的總壓損失系數(shù)Cpt的分布發(fā)生了改變,特別是在近端壁區(qū)域,高損失區(qū)的面積顯著減小,同時,導(dǎo)葉出口處的主流區(qū)和尾跡區(qū)的總壓損失系數(shù)也有明顯的下降,這主要是由于非軸對稱端壁造型有效的抑制了通道渦的發(fā)展,降低了通道內(nèi)的橫向壓力梯度,進而減弱了二次流的強度,因而降低了二次流損失。
3.3葉片表面靜壓的分布
圖8給出了優(yōu)化前后高壓渦輪導(dǎo)葉在5%、50%和95%葉高處(即葉根、葉中和葉頂附近)的葉片表面靜壓分布。從圖中可以看出,由于非軸對稱端壁的影響,葉柵通道內(nèi)的流場發(fā)生了改變,壓力得以重新分布。由5%葉高處表面靜壓分布圖可以看出,在壓力面?zhèn)龋瑥母邏簻u輪導(dǎo)葉前緣到70%軸向弦長(Cax)處,AEW和NEW的壓差不大,但在70%軸向弦長往后,NEW的壓力開始高于AEW;在吸力面?zhèn)?,從葉片前緣到30%軸向弦長處AEW和NEW的壓差不大,從30%到70%軸向弦長處,NEW相對于AEW而言,在吸力面壓力有明顯升高,而在壓力面變化不大,這就有效的減小了吸、壓力面的橫向壓差,有利于抑制通道渦的形成和發(fā)展,改善通道內(nèi)的流場。在70%到90%軸向弦長處,與AEW相比,NEW在壓力面?zhèn)葔毫ι?,在吸力面?zhèn)葔毫档?,顯著增大了吸壓力面的橫向壓差,使葉片載荷的后加載情形更為明顯,渦輪葉柵的載荷后置能夠有效抑制通道渦的發(fā)展,有利于減小端壁處的二次流損失。壓分布圖可以看到,NEW對高壓渦輪導(dǎo)葉表面靜壓在葉中和葉頂附近的分布沒有明顯影響,可見,高壓渦輪導(dǎo)葉下端壁的非軸對稱端壁造型對渦輪導(dǎo)葉上半葉高流場的影響不大。
3.4葉柵通道表面靜壓分布和流線圖
圖9和圖10的極限流線圖可以清晰地看到:在導(dǎo)葉前緣附近出現(xiàn)了馬蹄渦的分離鞍點,以及由此引出的馬蹄渦吸力面分支和壓力面分支;隨著導(dǎo)葉通道內(nèi)氣流的流動,馬蹄渦吸力面分支和壓力面分支開始向下游移動、發(fā)展;同時,由于導(dǎo)葉通道內(nèi)橫向壓力梯度的影響,馬蹄渦吸力面分支在繞過導(dǎo)葉前緣后與導(dǎo)葉吸力面在距導(dǎo)葉前緣30%左右軸向弦長處相交,并開始沿吸力面向上爬升,而馬蹄渦壓力面分支也在橫向壓力的作用下逐漸遠離壓力面,并向吸力面方向推移。對比圖9(a)和圖10(a)可以看出,相對于AEW,NEW吸力面低壓區(qū)面積明顯增加并且擴展到通道尾部。這使馬蹄渦壓力面分支與吸力面的交匯點向后推移,極限流線圖也證明了這一點,由此可以看出NEW延遲了通道渦的形成和發(fā)展,減弱了通道渦的強度。對比圖9(b)和圖10(b)可以看出,AEW的馬蹄渦吸力面分支在葉片前緣附近與吸力面交匯,而NEW的馬蹄渦吸力面分支在靠近葉片中部附近與吸力面交匯。所以,NEW的馬蹄渦吸力面分支與吸力面附面層的干擾被延后了,因此通道渦的強度將會減小,從而有利于減小通道內(nèi)的二次流損失。將導(dǎo)葉尾緣附近的流場放大,見圖9(c)和圖10(c),馬蹄渦壓力面分支向?qū)~尾緣靠近時,馬蹄渦壓力面分支將逐漸地與導(dǎo)葉尾緣后的角渦相摻混,對比圖9(c)和圖10(c)可以看出,NEW削弱了馬蹄渦壓力面分支與導(dǎo)葉尾緣角渦的摻混,減小了角渦強度,從而減弱了渦輪導(dǎo)葉出口處的流動損失。
4結(jié)論
本文的分析結(jié)果進一步證實了非軸對稱端壁造型是提高高壓渦輪導(dǎo)葉氣動性能的有效方法,是減小二次流流動損失的有效手段。(1)本文發(fā)展的優(yōu)化方法通過設(shè)定目標函數(shù)和控制自由變量,在進行非軸對稱端壁造型的同時,可將高壓渦輪導(dǎo)葉的參數(shù)控制在一定范圍內(nèi)。相比傳統(tǒng)的非軸對稱端壁造型方法,更加靈活、多樣,更加接近實際應(yīng)用。計算結(jié)果表明,與軸對稱端壁相比,優(yōu)化后的非軸對稱端壁使渦輪導(dǎo)葉出口處的總壓損失系數(shù)降低了3.724%。(2)非軸對稱端壁造型可以使葉根表面的靜壓分布更加合理,進而改善高壓渦輪導(dǎo)葉的載荷分布,有利于抑制通道渦的生成和發(fā)展。非軸對稱下端壁造型對高壓渦輪導(dǎo)葉上半葉高流場的影響不大。(3)非軸對稱端壁造型可以改善高壓渦輪導(dǎo)葉流場的流動結(jié)構(gòu)。延遲并削弱馬蹄渦同導(dǎo)葉吸力面附面層的相互摻混,削弱角渦的強度,進而削弱通道渦的強度,降低二次流損失。
作者:趙剛劍 劉波 那振喆,曹志遠 單位:西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院