燃气轮机在现代工业和交通领域具有广泛应用,排气蜗壳作为燃气轮机排气系统中的重要部件之一,其气动性能间接影响着涡轮部件的工作效率和下游部件的气流流动状况,因此,探究减少排气蜗壳内部流动损失的优化设计方法对节能减排具有重要意义。本文选取一应用于工程实际中的轴流式非轴对称蜗壳为研究对象,通过数值模拟揭示了其内部流动特征和主要损失来源,为了减少蜗壳的内部流动损失,探索了不同的型线优化设计方案,并构建蜗壳优化系统,以进一步改善其气动性能。本文的研究工作主要包含以下几部分:(1)探索原始蜗壳内部流动规律。介绍排气蜗壳的结构,构建计算网格的拓扑,并验证计算方法的有效性,通过对原始蜗壳内部流动机理的分析,揭示了总压损失的主要来源。结果表明,原始蜗壳性能较差,其流动损失主要来源于混合区中的低速流、集气壳中的旋流、排气道中气流的掺混和扩压结构部分气流的分离。(2)排气蜗壳优化设计方案探索。通过对蜗壳几何结构和流场的分析,验证其存在优化设计的空间,并探索了三种不同的优化设计方法。数值计算结果表明,在设计工况,扭线设计、螺旋线设计和内置分流层都能有效地提高蜗壳性能,使蜗壳的总压损失系数降低,静压恢复系数提高。相对而言,螺旋线设计蜗壳的效果最为明显,但其增加了蜗壳的径向尺寸,因此,在空间尺寸严格受限制的条件下,内置分流层不失为一种有效减少涡轮排气损失并利于涡轮做功的方法。(3)构建排气蜗壳集成优化系统。为了对蜗壳的性能进行更细致的优化,基于Isight的集成功能,构建了蜗壳的集成优化平台。以总压损失系数为目标函数,计算结果表明,在满足不提高涡轮出口静压的前提下,优化后的排气蜗壳的性能得到提高,具有更加均匀的出口流场,扩压结构内的低速区和高速区气流明显减退,二次流现象得以减弱。(4)涡轮与排气蜗壳之间相互作用分析。通过对带有最后一级涡轮的排气蜗壳进行全通道的非定常计算,并对结果进行傅里叶分析,初步得到二者之间相互作用的机理。结果表明,蜗壳进口不对称的背压分布对涡轮转子叶片的作用要强于涡轮转子与静子之间的干涉作用。