为快速确定反动度的合理取值范围,加快涡轮设计流程及完善气动设计体系,对考虑动叶进口相对总温的高压涡轮反动度可行域及多约束下反动度的可行域进行研究。采用"等效单级涡轮"的思路建立反动度与动叶进口无量纲相对总温之间的关系式以及采用速度三角形方法建立多约束条件下反动度可行域的计算方法。研究显示:当级负荷系数和膨胀比一定时,相对总温随反动度降低而降低。反动度降低0.1,则无量纲相对总温降低0.012。涡轮进口总温越高,反动度对相对总温影响幅度越大。当级负荷系数大于某值或膨胀比低于某值时,反动度均存在最大值。为保证气动方案具有较低值动叶进口相对总温和较高的效率,若膨胀比一定时,应选择较小的反动度和级负荷系数的设计思路,若级负荷系数一定时,对于单级涡轮反动度取值应较高,对于双级涡轮反动度取值应减小。建

以汉诺威大学某型四级轴流涡轮为研究对象,通过CFD数值模拟,验证了数值计算在轴流涡轮机气动性能计算上的实用性,分析了涡轮效率、膨胀比等数据,并得到不同涡轮级动叶叶顶间隙下动叶出口熵增,气流角的变化以及流场结构模型。

增压器轴流涡轮快速高效的初步设计可以减短涡轮的设计周期,提升涡轮增压器效率。根据轴流涡轮的热力工作过程建立了合理的数学模型,以最小出口绝对马赫数为目标,对该数学模型进行了约束控制,结合损失模型开发了轴流涡轮的一维设计优化程序,得到涡轮机的几何参数,进行三维建模,整个过程极大地简化了轴流涡轮的设计建模流程,实现了单级增压轴流涡轮的高效设计。利用南京航空航天大学某微型轴流涡轮验证了程序设计与建模方法的可行性,得到性能曲线与文献值吻合较好,流量最大误差在±6.6%以内,总总效率最大误差为1.8%;并将该方法应用于NASA单级轴流涡轮的验证,在40%、70%、100%设计转速下的阻塞流量预测误差不超过1%,从而验证了设计计算程序与建模方法的准确性与可行性,同时显示出较好的预测效果。

轴流涡轮损失预测模型是开展先进轴流涡轮设计优化、特别是低维快速性能预测的重要工具和基础,更准确通用的损失模型一直是涡轮气动热力学领域研究的重点。近年来,精细化设计理念的深入对损失模型提出更高的精度要求,同时先进实验测量方法和数值模拟技术的发展也为建立更精准的损失模型提供了可能。因此,本文首先梳理了轴流涡轮损失模型的发展历程及近年来的发展趋势,并结合最新研究进展分析目前仍存在的不足,最后对轴流涡轮损失模型的未来研究重点和发展趋势进行展望。