机匣高速相对运动下温度比对凹槽叶顶气动换热特性的影响

针对航空发动机高压涡轮实际运行工况中来流和涡轮叶片表面的巨大温差，本文以典型凹槽叶顶结构为研究对象，综合考虑静止和机匣高速相对运动条件，开展不同主流–壁温温度比对叶顶表面气动换热特性的影响研究。以课题组实验结果作支撑，对比分析温度比0.6和0.9的数值模拟结果。研究结果表明，随温度比降低，叶顶换热系数明显增加，特别是在机匣相对运动条件下更为明显；凹槽内部和机匣壁面附近流体密度增大，黏度减小，雷诺数明显增加，使得凹槽内旋涡结构位置和尺度发生变化，进一步影响泄漏流动。     

凹槽叶顶非定常间隙泄漏流动和传热的数值研究

应用数值方法研究了燃气透平中凹槽状叶顶非定常泄漏流动和传热问题.计算采用GE-E3发动机高压透平第一级动叶,叶顶间隙高度取1%叶高,叶顶凹槽深度取2%叶高.通过施加非定常边界条件模拟上游静叶尾迹,分析了非定常流动对动叶叶顶传热的影响.结果表明,叶顶附近的流场波动主要出现在叶顶前部及尾缘附近.叶顶凹槽底部传热系数变化主要出现在凹槽前部.定常计算获得的叶顶面积平均传热系数与非定常计算的时均结果相差很小.     

间隙高度对涡轮叶顶间隙流动的影响

叶顶间隙流动是导致涡轮动叶中产生流动损失的主要原因之一.对某动力涡轮第一级内三维流动的数值计算结果表明,流体在经过动叶叶顶间隙以后在约25%叶顶轴向弦长处(τ=3mm)在叶顶与吸力边夹角处卷起形成间隙涡,造成流动阻塞,同时在间隙内叶片顶部10%叶顶轴向弦长处(τ=3mm)开始在压力边出现叶顶分离涡,使得间隙流动损失增加.随着间隙高度增大,通过间隙的流量增加,间隙涡形成位置后移,间隙涡、叶顶分离涡尺寸变大,在流道内影响范围增大,导致流动损失变大.     

机匣与叶顶蜂窝密封对涡轮叶栅顶部泄漏流动的影响

本文采用数值计算方法研究了机匣蜂窝和叶顶蜂窝对涡轮叶栅动叶顶部间隙泄漏流动特性及其损失产生和分布的影响。结果表明:相比于常规无蜂窝密封的叶栅,机匣蜂窝和叶顶蜂窝在间隙泄漏流动的抑制方面都有积极的效果,相对间隙泄漏量分别降低了52%和8.2%;由于机匣蜂窝与主流的接触面积较大带来额外损失,使得涡轮叶栅出口损失增加了约2.66%,而叶顶蜂窝内叶栅出口损失减少了1.87%。     

存在热斑及总压梯度时静叶正弯对透平级气热特性的影响

通过三维非定常数值计算,研究了透平进口存在热斑及总压梯度时静叶正弯引起的高压燃气透平气热性能变化,分析了静叶正弯对动叶壁面、叶顶和端壁热负荷的影响。结果表明:静叶正弯改变了静叶吸力面静压及载荷分布,削弱了端壁二次流,使透平效率略有增加;同时静叶正弯增强了静叶吸力面侧流体从端壁向叶片中部的迁移,削弱了热斑的径向耗散。总压梯度的存在使静叶正弯不会引起动叶壁面二次流结构的显著变化,但热斑耗散程度的减弱会影响动叶热负荷分布。静叶正弯使动叶压力面高热负荷区传热恶化,但可以显著削弱动叶叶顶、下端壁及机匣的高温区域。     

叶顶和外环喷气对叶尖区域换热特性的影响

以GE-E3高压涡轮的第一级动叶为研究对象,采用数值求解RANS方程方法研究叶顶冷气喷射、外环冷气及两者同时冷却对叶顶和外环的换热特性的影响。结果表明：相较于无冷却的凹槽叶尖,外环和叶顶两者同时冷气喷射使得凹槽底部平均换热系数的峰值点沿轴向后移至15% C_ax位置处,使得凹槽的槽底最大换热系数降低17.2%。单一外环喷气对降低平顶叶尖的叶顶和外环的换热系数效果最佳,但是平顶叶尖的叶顶区域和外环区域的热负荷的降低依赖于不同的冷却方式。而叶顶和外环两者同时喷气的冷却方式对凹槽叶尖的冷却最为稳定,对抑制叶顶和外环两区域的对流换热系数和热载荷方面均表现最好。     

叶顶射流对涡轮流场及气动性能影响

通过对带有前缘气膜冷却的C3X涡轮叶片的传热和气动试验结果进行计算验证,表明所使用计算方法在对带有冷却射流的跨音涡轮压力及温度进行的预测具有较高的精度,在此基础上针对某型发动机低压涡轮,通过CFD数值模拟研究其叶顶冷却射流对叶顶泄漏流及涡轮性能的影响规律,并通过详细分析叶顶流动揭示该规律产生的原因;然后通过改变不同叶顶...     

跨音速涡轮静叶上端壁结构对动叶顶部气动换热特性的影响

本文通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和Spalart-Allmaras紊流模型数值研究了跨音速涡轮静叶上端壁结构对动叶顶部气动换热特性的影响。数值预测得到的动叶中径处压力分布与实验数据吻合良好,从而验证了该数值方法的可靠性。本文研究结果表明:静叶上端壁结构对动叶顶部前缘处的流动换热特性有显著影响,对靠近尾缘处的流动换热没有影响;静叶端壁为S型上端壁时叶顶平均换热流密度要低于采用常规端壁,且通流效率高于采用常规端壁;靠近尾缘区域的流动换热特性受间隙内斜激波的影响显著,由于斜激波和叶顶表面边界层的相互作用及斜激波在叶顶表面和端壁面之间的反射,导致靠近尾缘处的叶顶表面存在条状分布的高热流密度区域。     

凹槽叶顶冷气射流对涡轮叶尖泄漏流动的影响

涡轮叶尖泄漏流动对涡轮通道内流动损失有着显著影响,叶顶冷气射流对控制叶尖泄漏流动和改善涡轮叶尖气热性能有重要意义。本文利用数值模拟方法,研究了叶顶冷气喷射位置和喷射流量对高压涡轮凹槽叶顶间隙泄漏流动控制的影响。文中重点分析了泄漏流动结构及涡轮气动效率的变化,探讨了冷气对刮削涡这一间隙内主控流动结构演化的影响。研究表明,冷气孔位置的变化对间隙内刮削涡的演化造成了一定影响,但并未造成涡轮整体效率的较大变化;而冷气喷射流量不仅影响到刮削涡结构演化,而且导致了涡轮级效率近0.5%的变化。     

叶片安装角偏差对涡轮通道内热斑迁移的影响

叶片的加工和安装偏差不仅直接影响到涡轮的性能,而且可能对叶片通道内热斑的迁移产生影响.为了研究这种偏差对热斑在涡轮中迁移及叶片热负荷等的影响,本文以某高压涡轮级为例,利用三维非定常数值模拟手段进行了研究.结果表明:动叶安装角的偏差对动叶中热斑的迁移如周向迁移有较明显的影响;而热斑迁移的变化将直接影响涡轮动叶压力面和吸力面的热负荷分布,最终影响涡轮叶片的寿命;并且热斑迁移的变化还导致下游支板通道内温度分布产生较为明显的变化,这有可能给发动机排气温度的测量带来偏差.热斑迁移的变化在涡轮的设计和故障分析中应予重视.     

非定常叶顶间隙泄漏流动和换热的数值研究

通过数值方法研究了带叶顶间隙的某一级半透平中的非定常流动和换热问题.数值模拟采用标准k-ω两方程湍流模型,求解非定常雷诺平均N-S方程.动叶顶部间隙取为0.4 mm.分析了动静干涉对动叶顶部间隙内泄漏流动与换热的影响.结果表明,周期性通过的上游静叶尾迹和通道涡足动叶通道中非定常现象的主要来源.流场的波动主要存在于叶顶吸力面侧中间弦长附近.叶顶换热系数波动主要存在于两个位置,一是叶顶吸力面侧,一是叶顶主泄漏通道.叶顶表面面积平均传热系数非定常计算的时均结果与定常计算获得的结果偏差小于2%.     

开式向心涡轮背部间隙流动特性的研究

对开式向心涡轮背部间隙流动特性进行计算分析,计算结果和实验符合较好。分析结果表明:背部间隙泄漏流量远小于叶顶间隙泄漏流量,但两者损失大小相当,可见背部间隙与叶顶间隙虽然在形式上相似,但流动特性及损失机理有所不同;背部机匣刮削效应增强了展向二次流强度,在吸力面附近出现较大的高熵区,同时背部间隙泄漏流在展向二次流的带动下源源不断向叶顶方向运动,与主流形成较强的掺混;相比之下,叶顶机匣刮削流和展向二次流相互抵消,叶顶间隙泄漏流被展向二次流限制在叶顶壁角附近,掺混损失相对较小。     

一种燃气涡轮叶片气热性能实验台

随着行业对燃气轮机和航空发动机的性能需求日益增加，研发高效率、长寿命、低排放和大推重比的先进燃气轮机和航空发动机十分紧迫。由于燃气涡轮叶栅内部流动非常复杂，呈现出高度三维流动特征，因此数值仿真和理论分析难以得到准确、可靠的研究结果，必须要有实验研究，为其提供实验数据加以验证。本文介绍了一种新型燃气涡轮叶片气热性能实验台，该实验台具备实现主流温度阶跃上升能力，采用瞬态红外测量技术(IR)可完成不同入射角度、不同节距叶栅、不同类型叶栅(静叶和动叶)的叶栅流动、传热和冷却性能研究。该实验台采用模块化设计，可以实现实验叶栅方便、快速更换，并且开设有实验观察平台，可提供可视化观测和红外温度测量，运用瞬态红外测量技术(IR)和双线性回归(DLRT)数据处理方法研究叶栅传热和冷却特性；同时，在该实验台进行了吹风实验，实验结果表明该实验台达到了设计要求，可以进行旁通气路和实验气路瞬态切换。     

涡轮叶顶冷却布置对叶顶传热冷却性能的影响

本文采用数值模拟的方法,对比分析了1+1/2对转涡轮四种不同的叶顶冷却布置方案对叶顶传热、冷却性能以及气动特性的影响。四种布置方案分别是:靠近压力面垂直叶顶方向、靠近压力面且与叶顶有30°出射角、中弧线位置垂直叶顶方向、中弧线位置有30°出射角。研究表明,气膜孔沿压力面布置与气膜孔沿中弧线布置相比可以降低叶顶传热系数;由于气膜孔倾斜布置气膜射流动量降低,且削弱了肾形涡的影响,气膜的侧向覆盖范围增大。因此气膜孔靠近压力面布置可以提高气膜冷却效率;气膜孔靠近压力面且有30°出射角比垂直布置叶顶热负荷减少2.7%。另外,气膜孔靠近压力面布置可以降低主流的泄漏流量,有利于减小泄漏损失和提高涡轮效率。     

无导叶对转涡轮进口热斑迁移特性分析

为了揭示1 1/2(无低压导叶)对转涡轮进口热斑的迁移特性,运用三维非定常粘性流场计算程序对某1 l/2对转涡轮模型级在不同进口温度分布条件下的流场进行了数值模拟.结果表明,热斑在高压导叶中未发生周向和展向迁移;当进口热斑位于高压导叶流道中间时,高压动叶的热负荷加重;当进口热斑正对高压导叶前缘时,与进口热斑位于高压导叶流道中间方案相比,加重了高压导叶热负荷,但减轻了高压动叶热负荷;综合比较来看,进口热斑正对高压导叶前缘对涡轮冷却设计有利;冷热流体间的滑移速度、二次流效应和浮力效应是影响热斑迁移特性的主要因素;热斑在动叶中的迁移方向主要与冷热流体间滑移速度的方向有关,而与进口热斑相对第一级导叶的位置无关;在高压动叶中,二次流和浮力的作用效果均很明显;在低压动叶中,流体的迁移扩散行为主要受二次流控制,浮力基本不起作用.     

进口温度不均匀对气冷涡轮叶片传热的影响

本文对带有复合冷却结构的航空燃机高压涡轮导向叶片进行了气热耦合数值模拟研究,分析了温度径向分布不均匀和存在"热斑"涡轮进口条件下对气冷涡轮叶片传热的影响,研究发现进口温度径向不均匀分布在涡轮叶片径向中上部形成相对集中的带状高温区域,并使下游气膜冷却效果降低,热斑的存在进一步加剧对叶片局部区域的热冲击,复合冷却结构能够比较有效地降低由于进口温度不均匀所形成叶片表面局部高热区域的热负荷。     

高压涡轮动叶叶尖非定常气热特性研究

本文针对高压涡轮动叶凹槽叶尖流动传热问题开展非定常数值模拟研究。结果表明,TBR模型Time Transformation方法适用于动叶叶尖非定常气热分析。压力侧泄漏流引起的卷吸涡在凹槽底部形成带状高换热系数区,机匣边界层流动使吸力侧肋顶靠近前缘区域形成局部高换热系数。随着叶尖凹槽深度增加,凹槽内流场低速区域扩大,卷吸涡尺寸也随之增大。相应地,凹槽底部的换热过程减弱,沿压力侧肋分布的带状高换热系数区域范围减小,其位置逐渐远离压力侧肋,并且在特定时刻呈现间断离散的分布特点。不同时刻,2%凹槽深度的叶尖中凹槽底部的平均换热系数相比3%凹槽深度的叶尖升高7.1%～13.5%,相比3.5%凹槽深度的叶尖升高9.6%～21.9%。     

不同湍流模型对燃气透平静叶及动叶叶顶传热预测精度的研究

本文研究了不同湍流模型对燃气透平静叶、动叶叶顶和机匣传热的预测特性,分析了SSTγ-θ模型在不同湍流强度、湍流尺度和雷诺数下对C3X静叶传热系数的计算精度。结果表明:SSTγ-θ模型对静叶传热系数的预测精度明显优于其它两方程湍流模型;SSTγ-θ模型的计算结果在本文所研究的湍流强度和雷诺数范围内与试验结果能够很好吻合;不同湍流模型计算的叶顶和机匣传热系数分布规律与试验结果相似,SSTγ-θ模型的预测结果在叶顶及机匣的大部分区域与试验结果最为吻合。     

叶栅通道内热斑迁移受动静干涉和叶顶间隙高度影响的研究

本文考虑在透平进口存在热斑时,对受动静干涉和叶顶间隙影响的热斑非定常迁移特性以及近壁面区域的热负荷变化规律进行研究。结果表明:热斑在动叶通道中的形态发生较大变化,并存在冷热流体分离现象;在通道涡、泄漏流以及密度梯度产生的次流涡等涡系的联合作用下,压力面侧的热斑流体逐渐向上下端壁延伸,而吸力面侧逐渐向中叶展聚集;随着顶部间隙高度的增大,泄漏涡与通道涡的干涉作用增强,流道中心流体受泄漏涡的挤压而向压力面侧偏移,引起压力面附近温度梯度的增大,同时由于泄漏量的增加,使叶顶附近壁面两侧的传热环境均趋于恶化。     

涡轮叶顶泄漏控制研究进展

通过归纳国内外涡轮叶顶泄漏控制研究,总结了轴流、向心涡轮采用的叶顶泄漏控制方法及取得的研究进展,分析了不同控制方法的特点和不足,最后对涡轮叶顶泄漏控制方法的发展趋势进行了展望。目前,带冠轴流涡轮叶顶泄漏控制方法除了传统的迷宫密封,还有蜂窝密封、干气密封等;不带冠轴流涡轮控制方法种类较多,可细分为主动控制方法和被动控制方法;开式和半开式向心涡轮控制方法目前仅有叶型优化和机匣开槽;闭式向心涡轮控制方法较为单一,以迷宫密封为主。轴流涡轮中多种泄漏控制方法耦合具有较好的应用前景;开式和半开式向心涡轮中综合有效的叶顶泄漏控制方法,以及闭式向心涡轮轮盖空腔非设计工况和非定常工况下的泄漏特性有待进一步研究。