为了研究非轴对称端壁造型对典型燃气透平叶片端壁气动热力性能的影响,基于双控制型线非轴对称端壁造型方法,建立了间隙射流和主流掺混作用下非轴对称端壁气动热力性能的数值研究模型。在数值验证的基础上,研究了4种不同非轴对称端壁造型几何结构对叶栅端壁流动特性和气膜冷却性能的影响规律。结果表明,针对本文研究的大转折角透平叶片,在叶栅通道前部进行非轴对称端壁造型,会增强端壁的横向二次流,导致叶栅总压损失系数略有增大,会降低端壁的气膜有效度。而在叶栅通道后部进行非轴对称端壁造型,可以有效削弱端壁的横向二次流,减弱通道涡,从而降低叶栅的总压损失系数,同时,能够提升端壁横向平均气膜有效度高达22%,有利于提高端壁的气动热力性能。

本文应用非均匀有理B样条曲面技术实现了透平叶栅非轴对称端壁的参数化几何造型，并且以iSIGHT^TM商业软件为优化设计平台，结合NUMECA软件进行数值模拟，构建了非轴对称端壁的气动优化设计系统。应用该系统对某级透平静叶轮毂端壁进行了非轴对称端壁造型的气动最优化设计。结果表明，非轴对称端壁造型将改变端壁附近的压力分布，使透平叶栅气动性能得到改善。

本文根据叶栅内部二次流形成和发展的机理,应用级数函数建立了一种非轴对称端壁成型方法.采用三维时均可压缩N-S求解程序,对采用非轴对称端壁造型的某一后加载亚音速直列叶栅进行了数值研究,分析讨论了非轴对称端壁对叶栅内二次流的影响.计算结果显示:非轴对称端壁可有效地抑制和延迟通道中马蹄涡、通道涡的生成和发展,造型后叶栅内二次流损失减少了1%,效率提高了0.73±0.24%.

为揭示非轴对称端壁控制涡轮动叶二次流的物理机制,建立了一种新型的Bezier曲线造型方法,采用数值模拟的方式,对某一燃气涡轮的第一级动叶进行研究。结果表明,此造型法通过合理地调整横向压力梯度,从而有效地推迟通道涡的发展,使得通道涡的强度和尺度都小于轴对称端壁对应的情况,进而减小了损失,提升了效率,最优方案使得相对总压损失减小了4.7%,效率提升了0.48%。

利用商用软件NUMECA对跨音速轴流压气机转子Rotor67进行了数值模拟，对流场进行分析后发现端壁区二次流损失为该转子损失的主要来源。利用三角函数造型法对Rotor67转子端壁进行了非轴对称造型，并对造型后的转子内部流场进行了数值模拟，对模拟后的流场结果分析表明：采用非轴对称端壁可有效减小通道涡强度与范围，从而降低了叶栅二次流损失，使得压气机效率提高。

非轴对称端壁的设计和应用可以有效地减少透平叶栅中的二次流损失,提高透平机械通流部分的气动性能。对非轴对称端壁造型技术的应用背景、端壁造型方法及其在透平机械中的研究现状进行了综述,详细介绍了非轴对称端壁对叶栅和透平级气动性能的影响,阐述了气动性能得以提高的机理,结合实验结果介绍了非轴对称端壁对叶栅和透平级变工况特性的影响。在透平叶栅非轴对称端壁成型研究进展的基础上,对非轴对称端壁造型技术在高负荷透平叶片研发和叶片三维造型中的应用前景进行了展望。