1+1/2对转涡轮叶排轴向间距对性能影响的研究

木文对1+1/2对转涡轮中轴向间距影响进行了初步研究。对不同轴向间距叶栅流场进行了大量时间精确模拟。研究表明,1+1/2对转涡轮高低压转叶间轴向间距成为追求高效率的制约因素,轴向间距为高压转叶喉部宽度是关键点。因此有关小轴向间距下强激波/叶排干扰的研究应该加强。     

轴向间距对时序效应影响的研究

通过数值模拟研究了叶排间轴向间距对1.5级涡轮叶栅时序效应的影响。结果表明,轴向间距对时序效应有很 大影响,涡轮效率的变化幅度以及效率极值出现的位置都发生了明显改变。     

1+1/2对转涡轮中激波结构的数值研究

本文对1 1／2对转涡轮中激波及激波／叶排干扰等进行了详细的数值模拟。分析发现,1 1／2对转涡轮高压动叶流道中压缩波系与常规涡轮流道中的压缩波系存在明显的不同。1 1／2对转涡轮高压动叶吸力面60％轴向弦长处产生了一组压缩波,它与内伸波相交。在常规涡轮中,这组压缩波将不会出现;内伸波在吸力面的反射波很强,不能忽略。在常规涡轮中,内伸波的反射波可以忽略。由于尾迹及低压动叶的作用,高压动叶外伸波的影响范围和强度呈现周期性的变化。     

对转超音压气机低压转子尾迹对高压转子的作用研究

本文采用数值方法针对对转超音压气机转子叶片排间的相互干涉效应进行了研究,分析了超音转子在两级转子叶片排间具有三种不同轴向间距情况下的性能和前排转子叶片尾迹影响下的超音转子非定常特征。研究结果表明,轴向间距的增大使得尾迹在较长的间距内经过了较为充分的掺混,超音转子最大压比和最高效率随轴向间距的变大而增大;前排叶片尾迹的影响范围从超音转子叶片压力面直至吸力面,横贯整个叶片通道,较高叶展处的尾迹强于较低叶展处;横贯超音转子通道内的低压动叶尾迹先后与斜激波和正激波相互作用,尾迹区内熵进一步增大,并且由于尾迹区的传播速度由主流速度决定,尾迹在通道内继续向下游传播且传播显著延迟于通道外。     

对转压气机内叶排干涉效应的数值分析

本文数值模拟了设计工况下对转压气机内部非定常流场,分析了对转压气机内导叶与转子之间以及转子与转子之间的干涉效应对整机的非定常影响。结果表明,两排转子交界面上的非定常流量波动最剧烈,说明两排转子之间动/动干涉的强度大于导叶与转子之间的动/静以及静/动干涉强度;通过典型叶高处的非定常流场分析,结合不同叶排进口处的非定常脉动强度分析,对转压气机内部的设计和流动机理有了深入认识,各排转子进口处的非定常脉动强度沿着流向增强,由于出口导叶与上游转子间的轴向间隙特别小,出口导叶进口处非定常脉动最为强烈。     

气冷涡轮级叶栅非定常流场数值模拟

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式、自由型曲面网格技术、分区算法以及双时间步长的方法,对某型涡轮级叶栅流场进行了非定常NS方程数值求解,考察了在有、无冷气喷射条件下涡轮级气动性能的非定常变化。结果表明,上游静叶栅是否喷射冷气对下游动叶栅超音速区域的影响具有明显的区别,有冷气喷射时动叶栅前缘气动负荷降低,级效率下降约1%,但是不同动叶通道内气动性能随时间周期性变化的幅度明显减小了。     

涡轮转速对无导叶对转涡轮流动特性的影响

为了探究无导叶对转涡轮在不同涡轮转速下的流动特性,运用CFD方法对某无导叶对转涡轮模型级的流场进行了三维定常多叶片排的数值模拟.结果表明,涡轮转速的变化对无导叶对转涡轮的喉部位置基本没有影响;随涡轮转速的升高,高压动叶内的激波损失增大,低压动叶内的激波损失减小,源生于低压动叶吸力面上的激波沿吸力面向尾缘移动;对于远离设计点的非设计工况,流动分离损失及低压动叶中的激波损失构成了对转涡轮损失中的主体;涡轮转速的变化对高低压动叶出口气流角及高压动叶出口马赫数的影响作用较大;高低压涡轮出功比、对转涡轮的总功率及等熵效率均随涡轮转速的增大而增大.     

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。     

高压涡轮动叶机匣颗粒物沉积效应的非定常数值研究

航空发动机高压涡轮动叶叶顶区域的流动和传热特性对机匣表面的颗粒沉积物十分敏感。本文针对航空发动机第一级高压涡轮，通过用户自定义函数以及动网格更新技术，采用非定常数值模拟方法，研究了颗粒污染物在高压涡轮动叶通道机匣表面的沉积特性以及沉积物对叶顶区域气动和传热性能的影响，并比较了平叶顶和凹槽叶顶结构导致的沉积特性和气热性能差异。结果表明，颗粒物在动叶通道机匣表面的沉积特性对于叶顶结构并不敏感，颗粒物主要沉积在叶顶中弦附近区域的机匣表面，沉积物沿周向周期性地呈梭形带状分布。颗粒物沉积后，主流在流经机匣表面后会发生流动分离，使得机匣表面的热负荷降低，但会导致平叶顶中后弦区域的热负荷增加。     

弱化激波涡轮叶栅研究

激波问题严重影响超/跨音涡轮气动性能、冷却特性和结构完整性,因而,弱化激波设计是高负荷涡轮研究的热点之一。针对这一问题,本文以两个典型超/跨音涡轮叶栅为例,以伴随方法寻优为手段,给定流量和出口气流角约束,在不同工况点下进行优化,并对比研究变工况特性、流动特征和造型参数,探索弱化激波涡轮叶栅设计技术及规律。     

局部进气涡轮优化设计研究

为了能够有效优化局部进气涡轮性能,通过对现有软件模块进行二次开发,并利用人工神经网络结合粒子群-遗传混合算法,建立了局部进气涡轮气动优化设计平台,分别在全周进气单流道和局部进气环境下对涡轮进行了分步优化。结果表明:在全周进气单流道条件下,通过对各排动静叶进出口几何角、安装角和第一级动叶积叠规律的优化,改善了涡轮内部流动状态,使涡轮总静效率在全周进气单流道条件下累计提升了3.24%;通过对全周进气单流道优化结果进行局部进气构型,并进一步在局部进气环境下对第一级动叶叶型进行优化,消除了第一级动叶排根部因局部进气气动参数周向分布不均匀而导致的流动分离,使优化后的局部进气涡轮总静效率较原型累计提升了3.72%。     

无导叶对转涡轮三维流场的非定常数值模拟

为了揭示1 1／2(无低压导叶)对转涡轮流场的非定常流动特性,运用全三维粘性流场计算程序对某1 1／2对转涡轮模型级的流场进行了非定常数值模拟。结果表明,非定常计算可以获得比定常计算更为丰富的流场信息;非定常效应具有逐级累积的趋势;高压导叶压力面叶表静压展向分布比吸力面均匀;高低压动叶压力面和吸力面叶表静压的展向分布不均匀;高压动叶的负荷随叶高的增加而增大;高低压动叶出口气流角沿整个叶展均较大地偏离轴向,说明高低压涡轮的功负荷较高,在出功量上达到了设计目标。     

热斑分布方式对气冷双级涡轮气热性能影响研究

针对两种不同时序位置热斑在大冷气量燃气涡轮通道内的迁移对涡轮气动性能、叶片表面热负荷和气动激振力的影响开展了数值模拟研究,对比分析了涡轮效率、叶片表面温度分布、出口总温分布、非定常激振力时域/频域特征等,对进口热斑时序位置的选取方式进行了讨论。结果表明对于气冷燃气涡轮,与热斑正对通道中心相比,热斑正对导叶前缘可以有效降低动叶热负荷、改善第二级导叶温度分布均匀性、抑制效率下降、降低非定常激振力水平,有利于改善燃气涡轮气动热力性能。研究结果为大冷气量双级燃气涡轮热斑时序位置选取提供了依据。     

涡轮中的激波/叶排相互作用

本文对涡轮中激波／叶排干扰进行了初步研究。结果表明，关于激波／叶排干扰的认识是无导叶对转涡轮研制的重要理论基础。此外，激波／叶排干扰是存在该现象的涡轮所受高周交变力的主要原因，要解决这类涡轮的高周疲劳问题（ＨＣＦ）必须深入研究激波／叶排干扰．     

双叶排旋转失速起始的研究

本文以小扰动理论为基础,应用非定常、二元、不可压的流动模型,详细地导出了轴流压气机双排和单排叶片的旋转失速起始准则,并设计了它的计算机程序。预估值和实验值的吻合,证明了理论分析的可靠性。通过分析双叶排的轴向间距对损失及整个流场结构的影响,解释了静叶排加入对旋转失速发生所起的抑制作用。     

变工况下缩放型流道涡轮动叶中激波对吸力面气膜冷却的影响

为了研究涡轮缩放型流道动叶中尾缘燕尾型激波与叶片吸力面相互作用对气膜冷却的影响,本文对不同转速和不同吹风比下无导叶对转涡轮高压动叶吸力面上激波与二次流对冷却流动及壁面静温的影响进行了数值研究。冷却孔位于高压动叶吸力面约30%轴向弦长处,沿叶高均布。共模拟了三种转速(高压动叶),分别为5460r/min、6970r/min和7800r/min;在每个转速下分别模拟了两种不同冷却气流进口速度,分别为10m/s和20m/s。从模拟结果可见,高压动叶吸力面上静温过激波作用位置后会有明显的上升,且在不同工况和不同冷却条件下静温升的大小存在差异。在高压动叶吸力面两端,冷却效果下降明显,二次流成为影响气膜冷却的主导因素,尤其是在叶片顶部。     

激波管风洞中全尺寸涡轮试验的若干气动问题

暂冲式涡轮实验台是促进涡轮部件技术进步的关键设施．本文对激波管风洞全尺寸涡轮实验台若干气动问题进行了研究，结果表明：在暂冲式风洞中，涡轮建立稳态流场所需时间正比于涡轮叶排的轴向尺寸和折合流量．激波管风洞、喷管、实验段间匹配非常关键．     

吸力面负曲率的渐缩流道跨音速涡轮叶栅流场与性能研究

为了降低高负荷跨音速涡轮叶片流动损失,本文提出了一种在吸力面无遮盖段存在内凹型线的渐缩流道跨音速涡轮新叶型。新叶型可通过改进常规跨音速涡轮的叶型得到。数值模拟结果表明采用新叶型的平面叶栅与原叶型的相比总压损失系数降低了29.7%。通过分析新叶型的几何特征及其激波、膨胀波与压缩波的特点,揭示了新叶型使损失降低的内部流动机理。新叶型不仅能够减少气动损失,而且能够降低叶片排气的周向不均性,减小对下游叶片排边界层的非定常影响。     

宽弦高速跨音风扇颤振特性研究

颤振是航空发动机、燃气轮机等运行安全的重要威胁,但颤振稳定性与流动结构之间的关系尚不清晰。本文使用行波法和影响系数法,对某宽弦复合掠型高速跨音风扇转子的一阶模态进行了颤振特性研究,计算了在100%转速下从堵塞点到近失速点的颤振表现。使用影响系数法时,分析了不同通道数的计算域对气动阻尼计算的影响,并与行波法得到的结果进行了对比。研究了流动结构与叶片表面气动阻尼之间的关系,旨在提高对流动致颤机理的认识。结果表明影响系数法和行波法均能对叶片的气动阻尼进行较好的预测;流动结构方面,激波、激波附面层分离、叶尖泄漏流以及吸力面前缘叶顶附近的非定常压力波动,对叶片的气动阻尼分布有较大的影响。     

多级压气机非定常流场数值分析

通过双时间步求解三维非定常N-S方程,获取多级压气机内部非定常流场细节,为深刻认识多级、逆压环境下叶轮机内部非定常流动特征,进而提高其性能提供有益参考,分析结果表明:动/静叶排相干对下游静子叶片表面压力分布影响随着半径增大而增大;当上游尾迹输运至下游叶片通道时,低能量气流团将会充分与主流掺混,可能导致损失增加,当上游尾迹区域输运至下游静子前缘时,对应的叶栅通道低马赫数区域相对较小;由于下游静子叶片的位势作用,其对上游转子叶片尾缘流动结构产生较大影响,随着流面半径增大,下游叶片对上游流场的位势作用愈明显,非定常分离流动形式差别愈大.