1基本概念1
1.1燃气轮机涡轮介绍1
1.2用于描述涡轮几何的参数2
1.3用于描述涡轮气动热力过程的基本方程3
1.3.1连续方程3
1.3.2能量方程4
1.3.3动量矩方程5
1.4轴流常规涡轮级速度三角形5
1.5叶片表面边界层7
1.5.1边界层的厚度8
1.5.2边界层的转捩9
1.5.3边界层的分离11
1.6尾迹12
1.7端区二次流流动13
1.8叶尖泄漏流动14
1.9位势作用16
1.10激波和膨胀波17
1.11掺混19
1.12叶型负荷21
1.13损失及效率定义24
1.13.1叶栅损失及效率24
1.13.2无冷却涡轮的效率25
1.13.3冷却涡轮的效率27
参考文献30

2高压涡轮内部复杂流动机理33
2.1高压涡轮简介33
2.1.1高压涡轮结构与特点33
2.1.2高压涡轮的发展现状及趋势简介35
2.1.3影响高压涡轮效率的各种因素37
2.1.4高压涡轮进一步发展与气动研究的新特点38
2.2高压涡轮气动几何特征38
2.2.1高压涡轮气动设计特点38
2.2.2高压涡轮叶片型线特点38
2.3高负荷高压涡轮内复杂波系40
2.3.1高压涡轮内部波系结构40
2.3.2激波与边界层的相互作用49
2.4高压涡轮二次流及控制技术53
2.4.1高压涡轮端区二次流的流动特征54
2.4.2高压涡轮端区二次流的影响因素57
2.5高压涡轮泄漏流动及控制技术59
2.5.1高压涡轮叶尖泄漏流动图画及机理简介60
2.5.2高压涡轮叶尖泄漏流动几何及气动参数的影响因素71
2.5.3叶尖间隙控制技术87
2.6冷气与主流相互作用对气动性能影响89
2.6.1叶身气膜冷却对气动性能影响89
2.6.2端壁及封严冷气对气动性能影响97
参考文献106

3低压涡轮内部复杂流动机理112
3.1低压涡轮几何气动热力学特征及发展趋势112
3.1.1低压涡轮几何气动热力学基本特征112
3.1.2低压涡轮通道内流动特征及气动损失114
3.1.3低压涡轮设计技术的发展趋势115
3.2低压涡轮叶片边界层时空演化机制117
3.2.1低压涡轮边界层流动试验研究手段117
3.2.2平板边界层的演化与流动损失141
3.2.3均匀定常来流条件下低压涡轮边界层的时空演化153
3.2.4单级环境下低压涡轮边界层的时空演化机制157
3.2.5多级环境下的低压涡轮非定常流动及边界层演化173
3.2.6边界层损失和预测模型180
3.3叶冠内复杂流动及其与主流的相互作用184
3.3.1叶冠容腔内的泄漏流流动185
3.3.2泄漏流与主流的相互作用及其对气动性能的影响193
3.3.3叶冠泄漏流低维模型及多维耦合计算198
3.3.4叶冠泄漏流动的组织及控制技术204
3.4高负荷低压涡轮端区二次流动211
3.4.1低压涡轮端区二次流动结构和损失构成的特点211
3.4.2压力面分离及其对低压涡轮端区流动的影响213
3.4.3端壁边界层的演化机制及其影响218
3.4.4非定常环境下的低压涡轮端区流动223
3.4.5气动设计参数对涡轮端区二次流动损失的影响226
3.5低压涡轮低雷诺数效应230
3.5.1雷诺数对低压涡轮气动性能的影响231
3.5.2低雷诺数条件下低压涡轮内部流动234
参考文献239

4高低压涡轮间过渡段及后机匣内部复杂流动机理253
4.1高低压涡轮间过渡段几何气动特征及发展趋势253
4.2几何参数对流动及性能的影响257
4.2.1子午面曲率的影响257
4.2.2面积率的影响259
4.2.3支板的影响260
4.3气动参数对流动及性能的影响262
4.3.1来流马赫数的影响263
4.3.2来流湍流度的影响263
4.3.3来流气流角的影响265
4.3.4尾迹的影响266
4.3.5泄漏流的影响267
4.4过渡段的优化设计和流动控制272
4.4.1过渡段的优化设计272
4.4.2过渡段流动控制276
4.5后承力机匣通道几何气动特征及发展趋势277
4.6几何参数对后承力机匣流动及性能的影响279
4.6.1子午型线的影响279
4.6.2整流支板叶型参数的影响280
4.6.3吊挂结构的影响282
4.6.4叶片表面形变的影响283
4.7气动参数对后承力机匣流动及性能的影响285
4.7.1来流气流角的影响285
4.7.2来流湍流度的影响287
4.7.3来流马赫数的影响288
4.8大转角后承力机匣通道的设计方法288
4.8.1流道型线的选择289
4.8.2支板叶型的选择289
4.8.3几何参数的选择290
参考文献291

5涡轮气动设计方法294
5.1涡轮气动设计流程介绍294
5.2涡轮气动损失模型296
5.2.1涡轮落后角模型297
5.2.2AinleyMathieson损失模型299
5.2.3AMDC损失模型304
5.2.4AMDCKO损失模型305
5.2.5Traupel损失模型308
5.2.6CraigCox损失模型314
5.2.7ВТИ损失模型323
5.2.8Denton损失模型326
5.2.9CoullHodson叶型损失模型329
5.2.10冷气掺混损失模型337
5.3低维设计空间上的涡轮几何和气动参数的选取343
5.3.1涡轮低维设计空间气动性能评估方法344
5.3.2多级低压涡轮低维设计空间气动参数选择及优化351
5.3.3多恒定转速动力涡轮低维设计空间参数选取359
5.3.4通用核心机涡轮低维设计空间参数选取364
5.3.5对转涡轮低维设计空间气动参数选取368
5.4涡轮性能S1流面分析与S2正问题计算383
5.4.1S1流面分析383
5.4.2S2正问题计算392
5.5叶片造型方法400
5.5.1传统叶片造型方法401
5.5.2参数化叶片造型方法及流程403
5.5.3叶片前缘造型/修型方法及应用411
5.5.4机器学习在叶型反问题设计中的应用416
5.6叶片三维积叠对涡轮流动及性能的影响423
5.6.1三维造型基本概念423
5.6.2叶片弯对涡轮流动及性能的影响424
5.6.3叶片掠对涡轮流动及性能的影响431
5.6.4叶片复合造型对涡轮流动及性能的影响435
5.6.5叶片积叠误差造成的影响436
5.7涡轮精细化流动组织与设计技术440
5.7.1精细化流动组织与设计基本概念440
5.7.2精细化流动组织与设计的应用440
5.8考虑不确定性因素的涡轮设计方法478
5.8.1涡轮不确定性设计479
5.8.2涡轮不确定性分析486
5.8.3涡轮不确定性优化492
参考文献496

6涡轮气动性能数值模拟方法514
6.1湍流数值模拟方法514
6.2RANS模拟方法520
6.2.1湍流模型520
6.2.2转捩模型526
6.2.3基于机器学习方法的湍流模型改进533
6.3气冷涡轮三维数值模拟539
6.3.1湍流模型的影响539
6.3.2气体物性的影响545
6.3.3热辐射的影响549
6.4多级涡轮流动计算方法554
6.4.1掺混面计算方法554
6.4.2非定常流动计算方法558
6.5多维/多尺度耦合计算方法580
6.6不确定性数值模拟方法584
6.6.1不确定性建模585
6.6.2抽样方法591
6.6.3不确定性量化计算594
6.6.4敏感性分析596
参考文献599

7涡轮内部流动控制技术608
7.1流动控制技术简介608
7.2边界层流动控制技术612
7.2.1表面绊线促进转捩技术613
7.2.2粗糙表面控制转捩技术614
7.2.3表面涡发生器掺混技术615
7.2.4等离子体边界层激励技术618
7.3端区二次流流动控制技术620
7.3.1端壁翼刀控制技术621
7.3.2涡发生器控制技术622
7.4叶尖泄漏流动控制技术625
7.4.1叶顶气动射流技术625
7.4.2机匣喷气控制技术628
7.4.3涡发生器控制技术629
7.4.4等离子体激励技术629
7.4.5叶冠气幕射流技术631
7.5涡轮状态调节控制技术633
7.5.1涡轮几何调节技术635
7.5.2涡轮气动调节技术638
参考文献641

8径流涡轮内部复杂流动机理及设计644
8.1概述644
8.2径流涡轮的工作过程647
8.3径流涡轮反力度及其与轴流涡轮反力度的差别655
8.4最小叶片数目确定原则658
8.5转子初步设计660
8.5.1转子入口参数的确定662
8.5.2转子出口参数的确定668
8.6蜗壳初步设计673
8.7导流叶片677
8.8损失模型679
8.8.1各种损失的计算模型680
8.8.2攻角及攻角损失681
8.8.3通道损失模型683
8.8.4叶尖间隙泄漏损失684
8.8.5叶轮转子出口气流落后角688
8.8.6轮盘摩擦损失689
8.9径流涡轮设计过程690
8.9.1设计过程概述690
8.9.2模化设计方法692
8.9.3基于级或部件相关性的设计方法693
8.9.4计及壁面传热影响的微型径流涡轮设计方法711
8.10叶片设计720
8.11叶轮气动性能计算725
参考文献730

9涡轮多学科耦合问题732
9.1气热耦合问题732
9.1.1涡轮气动传热耦合问题732
9.1.2涡轮气动传热研究方法734
9.1.3涡轮流场温度场相互作用机制737
9.2气固耦合问题740
9.2.1涡轮气固耦合问题740
9.2.2叶片的强迫响应742
9.2.3叶片颤振743
9.3气声耦合问题747
9.3.1涡轮噪声及气声耦合问题747
9.3.2涡轮气动噪声耦合设计途径749
9.3.3低维气动设计中的降噪考虑749
9.3.4基于全三维造型的气声一体化设计752
9.3.5涡轮部件气动噪声评估方法754
9.4多学科设计优化技术756
9.4.1多学科设计优化问题的一般描述757
9.4.2多学科优化设计技术在涡轮中的应用759
参考文献762

索引767