变马赫数涡轮平面叶栅流场的实验研究

本文研究分析了三套涡轮平面叶栅设计攻角下变出口等熵马赫数时的气动性能,给出了三套涡轮叶栅设计攻角下的临界马赫数;阐述了叶栅出口总压恢复系数、能量损失系数、负荷系数及进口马赫数随出口等熵马赫数的变化规律;分析了叶片表面和叶栅端壁静压系数及等熵马赫数的分布情况。结果表明,三套叶栅所采用的叶型具有后部加载特性,具有较好的气动性能;叶栅出口能量损失系数随出口等熵马赫数的变化呈现出先减小后增大的变化规律。     

端壁凹槽控制扩压叶栅角区分离的数值研究

为揭示端壁凹槽控制高速扩压叶栅角区分离、降低叶栅气动损失的物理机制,采用数值方法研究了高速扩压叶栅NACA65-K48附加具有不同轴向位置和横向长度的端壁凹槽时叶栅的流场结构和气动特性.结果 表明:叶栅出口总压损失系数最大降低8.08％,静压升约提高0.67％.近端壁气流在凹槽内部诱导出复杂旋涡结构,该旋涡结构反过来为...     

变稠度条件下仿生学前缘结状突起对压气机叶栅性能的影响

本文以某压气机平面叶栅为研究对象,采用数值计算的方法,在不同稠度条件下,分别研究仿生学前缘结状突起在零攻角和正攻角时对叶栅性能的影响。结果表明,零攻角工况时,各稠度条件下的仿生学叶栅总压损失系数都有一定的增大,性能恶化;8°正攻角工况时,波长等于9.6%c的前缘结状突起在各稠度条件下都能有效降低总压损失系数,改善叶栅性能,在设计稠度下(S=2)效果最显著,损失系数降低了约18.8%;仿生学前缘的作用机理:结状突起诱导产生的成对流向涡与通道中的分离流动相互作用,包括涡系结构之间的抵消作用和动量的输运,从而延缓分离,提高叶栅性能。     

基于流动损失权重分配的扩压叶栅弯叶片优化探究

本文采用经过实验校核过的数值模拟方法研究了CDA叶型的矩形扩压叶栅旋涡结构与流动损失之间的权重关系,并以此为指导进行叶片周向弯曲优化设计,改善叶栅气动性能.结果表明:原始叶栅中集中脱落涡所影响区域的总压损失权重占总损失的60%,并通过对该旋涡结构所对应的分离区域的拓扑分析确定了叶片周向弯曲的弯高、积叠线控制点和弯角数值.叶片周向弯曲的作用将该分离区从角区闭式分离转变为开式分离,同时降低叶片根部负荷,改变横向和径向压力梯度分布.优化叶栅降低了集中脱落涡所占的总压损失权重41.3%,最终降低了出口截面质量流量平均的总压损失系数2.55%。基于旋涡结构的流动损失分配权重分析方法有效地提升了叶栅气动性能,大大地缩短了叶栅流场优化设计周期,据有可观的工程应用前景。     

考虑来流角变化影响的叶栅稳健性优化设计

进、出口边界流动扰动是叶轮机械中一种典型的不确定性因素,对叶片气动性能产生重要影响。开展考虑边界流动扰动影响的叶片稳健性气动优化设计(RADO)研究,对提高叶片的平均气动性能及气动稳健性具有重要意义。首先介绍叶片RADO的基本原理、实现方法及关键问题。之后开展基于自适应非嵌入式多项式混沌模型的某型跨音速涡轮叶栅来流角不确定性研究,对叶栅总压损失进行量化。最后开展叶片气动外形的RADO研究,通过与确定性气动优化设计的对比揭示RADO在提高优化叶片气动稳健性方面的优越性。     

鼓包前缘叶片在环形叶栅中应用的探索

鼓包前缘叶片具有特殊型式的前缘。本文对所选的初始叶型进行鼓包前缘造型,采用三维CFD数值模拟方法,探究鼓包前缘叶片对环形叶栅气动性能的影响,并初步探寻鼓包前缘叶片对流场的影响机理及规律。计算结果表明:在大攻角的情况下,鼓包前缘叶片可以明显改善环形叶栅的流场结构,减小叶栅分离区范围,可使总压损失系数减小约15%。环形叶栅势流区近S1流面的叶栅损失减小约35%。说明鼓包前缘叶片可以显著提高环形叶栅的气动性能。     

基于Pareto类遗传算法的平面叶栅多工况优化

将叶型参数化、试验设计方法、神经网络算法与Pareto类遗传算法相结合,发展了一种平面叶栅多目标优化设计方法.在该算法中,为提高优化效率,提出了并行神经网络算法和改进了NSGA-Ⅱ算法.以极小化三个工况点的总压损失系数为目标函数,将该优化方法应用于某平面叶栅多工况优化设计.与初始叶栅相比,优化后叶栅的总压损失系数在三个工况均有一定的减小,说明该优化方法是有效的.     

超临界高压动叶栅壁面静压分布的试验研究

在低速风洞上对某型超临界汽轮机高压级动叶栅进行了静态试验.详细测量总压损失由栅前至栅后的发生与发展以及静压系数在不同叶高沿叶型的分布.试验结果表明,具有后部加载叶型的正弯动叶片栅气动特性优良,叶型损失与二次流损失较小,出口气动参数沿叶高分布均匀,并且具有良好的冲角适应性.     

高速高负荷压气机叶栅损失特性实验研究

实验测量了某高速高负荷压气机叶栅两个马赫数(0.5884和0.5)下-8°、-6°、-4°、-1.69°、0°、2°、4°和8°共8个攻角的栅后流场,分析了其损失特性随着攻角的变化规律。结果表明:设计马赫数0.5884下,该叶栅低总压损失系数对应的攻角范围较小,随着攻角往两端偏离最优攻角,叶栅损失很快就急剧增加;从2°到4°攻角,流场结构发生了改变,近叶中区域也开始发生了较大的分离,而近端区的角区分离反而减小,使得总压损失未迅速增加,而是基本不变;随着攻角进一步增大到8°,发展成了全叶高的大尺度分离流动,尾迹速度亏损急剧增大,总压损失也急剧增大。     

叶片端部孔隙结构对透平叶栅气动性能影响的试验研究

减小叶片端部的二次流动能够显著减小叶栅的流动损失.本文通过分析叶栅二次流动的机理,提出了一种减小二次流损失的结构─叶片端部的孔隙结构.并通过试验验证了合理的孔隙结构能达到减小二次流损失的目的.本文分别研究了在透平叶片端部不同位置的孔隙结构对透平叶栅气动性能的影响.发现对于小尺寸的孔隙结构,其对流动控制的能力有限,尽管如此,其还是能够达到减小损失的目的.本文进行了五个攻角下的孔隙结构实验,结果表明:端部前缘孔隙结构与原始叶栅相比,不同攻角下的总压损失分别减小了2.4%、6.8%、6.8%、3.6%、2.7%.本文工作为提高透平叶栅气动性能提供了一种新思路.     

三维跨音速叶栅自动气动优化设计

应用三维叶栅自动设计参数化方法,选择E3约束的条件下进行了自动气动优化设计.优化后,最优叶栅的总压恢复系数比参考叶栅提高了0.8%,流量和出口气流角都在约束范围内.对优化结果的详细气动分析表明,叶栅性能有显著的改善,表明该算法具有良好的优化性能.     

三维跨音速压气机叶栅多目标气动优化设计

提出了一种多目标差分进化算法(MDE),典型函数试验结果表明该算法具有优秀的多日标寻优能力,满足多目标气动优化设计的要求.耦合并行多目标差分进化算法、三次B样条曲面造型方法和CFD求解技术,提出了新的轴流式叶轮机械叶栅三维多目标气动优化设计方法.选择等熵效率和总压比为目标函数,完成了NASA Rotor37转子叶栅的多目标气动优化设计.优化后叶栅的气动性能明显提高,表明该方法具有良好的优化性能和应用前景.     

叶身/端壁融合扩压叶栅气动性能实验与数值研究

已有的数值研究表明叶身/端壁融合设计能有效推迟、减弱或消除压气机角区分离,但实验数据缺乏。为了弥补这一不足,本文针对一42°折转角的NACA65扩压叶栅进行了吸力面叶身/端壁融合设计,并首次在低速平面叶栅风洞中进行了对比实验,证实了叶身/端壁融合扩压叶栅性能提升能力。基于实验结果,进一步校验了RNG-KE、SST等不同湍流模型的模拟精度,并基于SST模型结果揭示了叶身/端壁融合设计的作用机理。实验结果表明:叶身/端壁融合扩压叶栅能在设计攻角及正攻角下改进叶栅性能,提高总压损失系数7%~8%。数值结果表明:融合的加入重新组织了端区流场,避免了流体在叶栅后部吸力面角区内的过度堆积而发生的强三维分离,有效缓解了原型叶栅高损失流动。     

带翼型围带涡轮叶栅冲角适应性的实验与数值研究

针对一新型翼型围带结构,通过数值计算验证其相对于全周小翼结构在改善涡轮叶栅气动性能的优势。在此基础上,结合实验与数值模拟分析了带此翼型围带涡轮叶栅的冲角适应能力。结果表明,翼型围带可在全周小翼基础上进一步削弱泄漏涡与通道涡强度,使涡轮叶栅下游流场更为均匀;冲角变化主要影响叶片表面前半部分的静压系数,冲角增加,中径与近叶顶区域的横向压差增大,导致通道涡强度增加;由于冲角变化对泄漏涡生成发展的通道后部区域的静压改变不大,所以泄漏涡对冲角的敏感性不强;基于负冲角可改善涡轮叶栅气动性能的结果,文章最后对多组大负冲角下的叶栅性能做了数值研究,发现冲角小于一定值时,压力面流体分离严重,导致-80°冲角的总压损失甚至高于+10°冲角。     

孔隙射流位置对直扩压叶栅壁面静压及流谱影响

对带有孔隙射流的某大折转角直扩压叶栅性能进行了实验研究,分析了不同位置孔隙射流对壁面静压及极限流线的影响.结果表明,孔隙射流能够改善角区流动,同时降低叶片中部损失;最佳开孔位置位于25%相对叶高处,总压损失系数相对无孔隙射流叶栅降低4.9%;孔隙位置对端壁静压的影响不大.     

适用于跨音压气机的超音叶型设计

为降低跨音压气机叶尖损失,开展超音叶栅流动机理及叶型设计研究。首先考虑栅前激波损失,并引入极限特征线上的等熵马赫数和总压恢复系数,得到更准确的唯一进气角计算方法;然后将此计算方法用于超音叶型设计,给出叶型前段形状;最后结合经验和理论分析,完成叶型后段设计。研究结果表明:此设计实现三道斜激波加一道正激波组合增压;在设计点,静压比为2.27,总压比为1.99,总压损失系数为0.091(对应效率0.902);在近失速点时,正激波移至喉道处,叶栅总压损失系数最小;正激波移至叶栅出口时,正激波最强,总压损失系数最大。     

前缘加微小平板对压气机叶栅气动性能的影响

随着叶轮机械技术的发展,抑制叶栅内流动分离的研究已成为叶轮机械气体动力学的一个重要方向。本文在叶栅翼型NACA 64-A905前缘附近加装微小平板来抑制叶栅流动分离,在不同进口马赫数条件下研究了微小平板长度及安装位置对压气机叶栅气动性能的影响。结果表明:叶栅气动性能对微小平板长度和位置变化十分敏感,在叶栅翼型前缘点吸力面正上方合适位置处加装长度为3%～6%弦长的小平板后,可以有效抑制流动分离,失速工况下叶栅气动性能得到显著提高,总压损失系数最大可降低43.5%;当Ma大于0.6时,流动控制效果减弱,叶栅总压损失系数增大。     

非轴对称端壁改善涡轮叶栅流场研究

以Pack B涡轮平面叶栅为研究对象,采用非轴对称端壁造型方法,以减少涡轮叶栅总压损失为优化目标,进行了涡轮叶栅的非轴对称端壁优化设计,优化后的总压损失减小了11.83%。通过对叶栅的下端壁以及上下端壁进行非轴对称造型并与原型光壁模型进行全叶高流场对比分析表明:非轴对称造型对几乎全叶高的总压损失分布产生影响,大幅减小了20%和80%叶高附近的总压损失,对气流角和下游涡强度的影响局限在近造型壁面侧的30%叶高内。     

叶片弯、掠对压气机端壁流动的影响

通过壁面静压测量、流场显示及气动探针测量研究了不同掠型叶片组成的平面扩压叶栅特性。结果表明,前掠 叶栅流道中横向压力梯度减弱,型面压力沿叶展呈反“C”型,有利于减弱角区低能流体堆积,但中径处损失有所增加; 弯掠叶片强化了上述趋势,其降低端部损失和延缓角区分离的能力更强,应从优化设计角度对其进行深入研究。     

汽轮机静叶栅内平行通道除湿特性研究

火电汽轮机低压级组和核电汽轮机/船用核动力汽轮机全级都处于湿蒸汽区,湿蒸汽凝结流动长期以来是影响汽轮机经济性和安全性的难题.针对White叶栅,在吸力面和压力面间设计了一个连接相邻的汽流通道的平行通道,采用双流体模型对原型叶栅和改型叶栅内湿蒸汽凝结特性和气动性能进行研究.以总压损失系数、湿汽损失为评价指标,研究了平行通道开设位置对叶栅性能的影响.研究表明:吸力面开设位置(D点)越靠近叶栅尾缘,改型叶栅除湿性能越好;压力面开设位置(C点)对改型叶栅除湿性能影响不大;C点和D点越靠近叶栅尾缘,总压损失系数越大.