为建立高性能超临界二氧化碳(SCO2)布雷顿循环系统,基于西安热工研究院的5 MW等级SCO2火力发电试验平台的高压涡轮设计参数,采用基于Denton损失模型的自编一维涡轮设计程序、AXIAL软件及AXCENT软件设计了2级轴流超临界二氧化碳涡轮,采用CFX软件RANS方程与NIST的真实超临界二氧化碳工质物性数据相结合的数值方法,研究了超临界二氧化碳高压涡轮设计工况和变工况气动特性.结果表明:综合考虑高设计参数下的超临界二氧化碳涡轮辅助系统的可实现性,选择两级轴流直叶栅涡轮设计方案,经叶型优化后可实现两列涡轮静叶的总压损失约为0.042,第1/第2列动叶栅相对总压损失为0.050和0.064,叶片的根部、中部和顶部流场的马赫数分布合理.考虑动静叶泄漏掺混损失的高压涡轮的等熵效率可达到84.88%,轴功率3 251 k W,涡轮变工况性能良好.

在前期研究的基础上,将三维轴流式透平叶栅参数化方法发展为基于非均匀有理B样条(NURBS)技术的新型叶栅参数化方法。此方法在对叶栅型线进行NURBS曲线拟合的同时,将叶栅各截面重心及安装角也纳入参数化范围,大大扩展了优化设计空间。基于此,应用离散伴随气动优化设计系统,对Aachen第一级静叶栅在无粘、大负攻角流动条件下,以降低叶栅进出口总压损失为目标进行了全三维气动优化设计。优化后叶栅总压系数提高了1.64%,通道内的流动分离状况得到了有效改善。此外,对优化过程是否添加质量流量约束进行的研究表明,约束条件对优化效果有较大影响,实际应用中应根据需要进行具体的优化设置。

推导出一种用密度和内能（ρ，ρe）或密度和比内能（ρ，e）描述的真实气体的高分辨率数值格式，采用IF97计算公式设计相应的以（ρ，ρe）为变量的水和水蒸气性质表，并用一种快速插值的方法将表格中的水和水蒸气状态参数应用到流体动力学计算中．采用上述方法对叶栅中过热蒸汽和喷管中饱和蒸汽的流动进行了数值模拟，结果表明该方法的计算结果与实验数据吻合良好，可应用于真实气体流动的分析，比常规方法所获得的结果更加准确．

采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes（RANS）方程,研究了具有16个齿的迷宫密封转子动力学特性,分析了在两种转速条件下进口预旋对迷宫密封转子动力特性系数的影响,计算了无进口预旋时,在两种压比条件下,迷宫密封系统的交叉刚度和直接阻尼系数随转速的变化关系,并将计算结果与实验值和两控制容积BF（Bulk Flow）方法计算值进行了比较。研究结果表明：所采用的数值方法能较好地预测迷宫密封的转子动力特性,且计算结果优于两控制容积BF方法。对于迷宫密封,交叉刚度与进口预旋近似成正比关系,且随着转速的增大而增大;直接阻尼对转速和进口预旋均不敏感,但随压比的增大而显著增大。过大的进口预旋和转速均会使转子的稳定性降低;工作在较大转速下的迷宫密封系统可以通过施加合理的进口预旋来增强转子的稳定性。

为了控制涡轮叶顶间隙泄漏流以改善叶顶区域的流动状况,提出了机匣周向槽造型方法。以典型跨声速涡轮级(Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics,TTM)模型为对象,研究了不同高度的机匣周向槽造型对涡轮叶顶流动结构和气动特性的影响。结果表明,引入机匣周向槽造型后,近叶顶涡系结构发生了显著变化,叶顶泄漏涡(TLV)分为前后两部分,TLV-1穿过上通道涡(UPV)并逐渐被消耗,TLV-2则在周向槽之后重新形成并发展至尾缘,导致TLV的强度减弱,尺度减小。此外,由于周向槽的卷吸削弱了马蹄涡压力侧分支(HVP)的强度,加上TLV-1的压制和消耗,UPV更为远离机匣,与TLV的交互作用减弱,其强度减弱,尺度减小。总体而言,随着造型高度增大,叶顶间隙泄漏率逐渐减小,涡轮级总静效率先增大后减小。相比于无周向槽设计,当造型高度为2倍叶顶间隙时,叶顶泄漏率可降低0.15%,涡轮级总静效...

为了掌握颗粒污染物在航空发动机涡轮中的迁移规律,研究高温涡轮部件中颗粒物的沉积效应,采用数值模拟方法,结合用户自定义函数和动网格技术,在航空发动机真实运行条件下针对高压涡轮第一级静叶,研究了涡轮进口旋流对颗粒物迁移及沉积规律的影响,对比了不同颗粒物温度下叶片表面的沉积特性,并详细分析了颗粒物沉积前后叶栅通道中流场结构、出口气动损失及叶片表面换热系数的变化规律。结果表明进口旋流对颗粒物的迁移规律及沉积特性改变十分明显,并使得相邻叶片表面的沉积分布规律不再相同;颗粒物温度仅对沉积效率有影响,不会改变颗粒物在叶片表面的沉积规律;颗粒物沉积后,由于叶栅通道面积变窄,主流马赫数会有所提高,再加上叶片型线发生改变,叶栅出口的气动损失明显增大;在存在进口旋流时,颗粒物发生沉积后,叶片表面的换热...

为厘清迷宫密封内摩擦损失的影响因素并建立摩擦系数预测模型,基于Vannini等搭建的迷宫密封实验装置,以超临界二氧化碳为工质,采用数值方法,探究了雷诺数、进出口压比以及间隙半径比对摩擦系数和泄漏特性的影响关系。结果表明:摩擦系数随雷诺数的增加而减小,随进出口压比的增加基本不变。泄漏量在雷诺数小于104时基本不变,但在大于104时随雷诺数的增大而减小,且泄漏量随进出口压比增大而增大。在不同工况条件下,摩擦系数和泄漏量随间隙半径比的增加而线性增大,但摩擦系数的斜率基本不变,泄漏量的斜率随进出口压比的增大而增大。当雷诺数较高、压比较低时,在密封的入口区域会存在尺寸较大的涡,这有利于泄漏量降低,但此时泄漏模型的预测精度有少许降低。当间隙半径比较小时,摩擦损失主要源于密封间隙内的流动;当间隙半径比较大时,流...

为提高叶栅的气动性能提出基于能量法的叶栅自动设计参数化方法结合自适应差分进化算法和Reynolds-Averaged Navier-Stokes （RANS）方程求解技术提出适用于透平叶栅气动优化设计的自动气动优化算法。以总压恢复系数最高为目标函数在满足流量和出口气流角约束条件下利用提出的气动优化算法对一小展弦比后加载叶栅进行了自动气动优化设计。优化后叶栅的总压恢复系数提高了0.7%叶栅的气动性能明显提高。优化结果表明该算法具有良好的优化性能和应用前景。

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。

针对非定常流动对透平气动性能的影响和导致产生动叶片振动疲劳的气流激振力,深入研究和总结了国内外透平机械的非定常流动,阐述了RNGk-ε湍流模型和双时间步法,并提供了笔者研究的2个汽轮机高压级以及末级的非定常流场与气流激振力的例子.结果表明：采用RNGk-ε湍流模型和双时间步法对透平级进行非定常粘性流场分析可获得更为详细、精确的流场状况以及更为真实的效率;气流激振力和激振力因子的水平与流场状况有密切联系,影响流场的因素（如背压,流量,动静间隙等）发生变化会对气流激振力因子产生影响.此外,还提出了今后进一步研究的思路和方法.