压气机级间抽气的数值模拟

燃气轮机的压气机抽气配管是燃气轮机设计以及运行使用中的一个重要环节,是一组连接燃气轮机压气机和透平的通流部件.它从压气机的某几级中抽取一部分压缩气体通入透平或其后排气通道.本文通过数值模拟的方法研究了压气机抽气级的流动特性,考察了抽气流量和抽气槽角度对压气机主流流场的影响.     

弯叶片对压气机叶片表面流动稳定性影响研究

本文研究了压气机叶栅中采用弯叶片对叶片表面流动稳定及转捩的影响.以风洞测得的叶片表面静压实验数据为基础,通过求解Falkner-Skan方程,获得不同来流马赫数下叶片边界层内气动参数.将以上结果作为边界层的平均流动值,结合数值离散化的正交曲线坐标系线性抛物化稳定性方程(PSE),对边界层流动的稳定性进行特征值分析.计算结果表明,在压气机中采用弯叶片,可改善叶栅吸力面两端区边界层的流动,但同时会恶化叶栅吸力面中部边界层流动的稳定性;合理地匹配选择叶片的弯向与弯量,才能有效地提高扩压叶栅的整体流动稳定性.     

端壁翼刀降低叶栅损失机理的实验研究

通过实验研究和拓扑分析的方法,分析了安装端壁翼刀后的压气机叶栅内流场的旋涡结构和演化过程.结果表明,安装翼刀后,在翼刀的安装位置产生了一对方向相反的旋涡,通道涡的强度减弱;马蹄涡的吸力面分支与叶栅吸力面相交的位置向下游推移,沿叶高向叶片中部流动的范围缩短,进而叶栅吸力面壁角区的流动得到了改善,降低了叶栅总损失.     

多级轴流压气机内的流动机理研究

本文对某多级轴流压气机的两级内部流场进行了CFD数值模拟,通过计算结果和通流计算值对比,分析了多级轴流压气机的级间匹配特性,说明该两级压气机的总体匹配特性是合理的.但是,在两端壁附近也存在一些差异.通过对其内部流场的剖析发现,第11级静叶的吸力面两端和第12级动叶吸力面根部均存在一定程度的分离,文中解释了存在分离原因以及分离对压气机匹配特性的不利影响.     

扩压叶栅中采用带切向孔叶片的研究

数值模拟了低速条件下大转角压气机叶栅中采用带切向孔叶片对叶栅性能的影响.结果表明,与常规不开孔的叶栅相比,采用带切向孔叶片的压气机叶栅通流能力提高1.3%左右,叶栅总损失降低17%左右.气动性能的改善一方面来源于切向孔附近叶片负荷的降低,横向二次流动减弱;另一方面,穿过切向孔在吸力面表面形成的射流增加了吸力面角区内低能流体的能量,提高了其抗分离能力.针对本文算例,从提高做功能力和减小损失的角度看,切向孔应布置在80%轴向弦长以前为好.     

近失速状态下压气机静子通道内的三维流动

本文综合运用体式激光粒子图像测速技术和油流显示技术研究了近失速状态下压气机静子通道内部的复杂三维流动,建立了静叶通道内部三维流动结构模型,并分析了典型流动结构的产生、发展和演化机制.实验结果表明,在近失速状态,近叶通道出现了两个截然不同的分离区-吸力面近机匣角区分离(7%～50%弦长,闭式分离)和吸力面近轮毂角区分离(50%弦长以后,开式分离),以及一些复杂的流向旋涡流动结构.     

高负荷弯曲扩压叶栅中旋涡流动的研究

在不同冲角下,采用五孔探针对三种大弯角压气机叶栅流场进行了详细测量,并利用数值模拟研究了流动分离和旋涡结构对弯叶栅气动性能影响.结果表明,叶栅流道内旋涡由多涡结构向单一涡结构转变的趋势明显,叶片正弯曲加强了近吸力面涡系径向掺混作用;高负荷压气机叶栅中采用正弯叶片,必须抑制中部流动恶化.     

轴流压气机等离子体流动控制

作者在国际上较早开展了轴流压气机等离子体流动控制研究工作,经过近十年的研究积累,对轴流压气机等离子体流动控制建立了较为深刻的认识。本文首先简要展示了轴流压气机等离子体流动控制的部分研究进展:以压气机叶栅为研究对象,分析了等离子体激励对叶顶泄漏流抑制的规律和机制;通过数值仿真和实验,研究了等离子体激励对高负荷轴流压气机失速的流动控制规律和机制;以高速压气机叶栅为研究对象,探索了吸力面和端壁等离子体激励对高速压气机三维角区分离的流动控制规律;然后介绍了等离子体激励式压气机的概念;最后给出了对未来研究工作的展望。     

扩压器叶片前缘开槽结构对高负荷离心压气机性能影响研究

离心压气机在小流量工况下,扩压器叶片进口气流为正攻角,其吸力面产生流动分离,恶化压气机性能从而诱发失速。为改善近失速点扩压器内部的流场,拓宽离心压气机的稳定工作范围,本文对扩压器叶片前缘进行开槽处理,采用经过校核的RANS方法探究不同开槽结构对高负荷离心压气机的性能影响及内部流动机理。研究发现:近失速点原型扩压器的压力面和吸力面两侧同时存在大范围的流动分离,本文研究的直槽和斜劈型2种开槽结构均能有效地抑制扩压器通道内的流动分离并提高压气机的失速裕度。但随着开槽深度和长度的增加,斜劈型开槽结构会恶化扩压器通道内的流场,致使压气机性能急剧降低。     

叶片弦向开缝抑制分离的数值分析

本文对弦向开缝的某大转角压气机叶栅的气动性能进行了数值分析.结果表明,合理的弦向开缝能够有效抽吸吸力面附近的低能流体、改善型面的压力分布,从而控制吸力面附近的边界层发展并减弱低能流体的阻塞和尾迹宽度,降低流道中的分离损失,总压损失最大降幅可达15.8%.另外,文中重点计算并分析了吸气点E和回气点F位置、开缝的展向位置等不同参数对流动结构、气动性能的影响,这能为开缝式叶片设计和实验研究提供参考.     

弯曲静叶时序效应对压气机性能的影响

本文实验研究了弯曲静叶栅时序效应对某低速轴流压气机性能影响.结果表明,两列静叶时序位置不同导致压气机效率发生显著变化,且变化幅度随流量增加而加大;设计点处,时序位置为4/18和12/18相对节距时具有最低、最高压气机效率,差值约为0.6%;最大流量处,时序位置为O/18和8/18时效率差值约为2.7%.出口流场测量显示,上游静叶尾迹被输运到下游叶列流道中不同周向位置并与该列叶栅不同区域低能流体的掺混是导致压气机性能随静叶时序位置不同而变化的主要原因.     

跨音速轴流压气机级三维粘性流场全工况数值模拟

采用一种快速求解三维粘性流场的计算方法求解跨音速轴流压气机级内部流场及全工况特性。该方法以LU-SGS-GE隐式格式和MUSCL TVD迎风格式为基础,结合壁面函数方法和简单的混合长度湍流模型,对三维可压缩雷诺平均Navie-Stokes方程进行求解。叶列间参数的传递采用混合平面方法并应用了微机网络并行计算技术。计算得到了NASA 37号低展弦比、跨音速轴流压气机级70％设计转速下的全工况性能曲线,并重点分析了其中一些典型工况下的内部流场。计算与实验结果的对比表明此方法能快速得到三维粘性流场的流动特性且计算精度较高,可用来模拟跨音速轴流压气机级内的全工况三维粘性流动。     

多级轴流压气机全工况特性数值模拟

采用一种快速求解三维粘性流场的计算方法求解某多级轴流压气机内部流场及全工况特性。该方法以ＬＵ－ＳＧＳ－ＧＥ隐式格式和 ＭＵＳＣＬ ＴＶＤ迎风格式为基础，结合壁面函数方法和简单的混合长度湍流模型，使用多重网格迭代加速收敛技术对三维可压缩雷诺平均Ｎａｖｉｅ－Ｓｔｏｋｅｓ方程进行求解．叶列间参数的传递采用混合平面方法并应用了微机网络并行计算技术．首先对一个五排压气机（进口导叶加两级）进行了全工况特性计算，并对计算结果做了详细分析．然后对前三排（进口导叶加一级）进行了全工况特性计算并与五排联赛的计算结果进行了对比，对多级环境对单级性能的影响机理做了初步探讨。     

壁面吸气抑制分离减少流动损失的研究

研究了斜流压气机具有大尺度分离的导向叶栅内的流场结构;通过对壁面不同吸气位置与吸气量对流场结构及损失的影响分析,并借助于拓扑分析的手段,探讨了针对于大尺度分离结构条件下吸气点位置的选择原则,总结出了端壁与吸力面吸气位置与分离结构之间的对应关系。     

串列叶栅后排静叶周向位置对压气机性能影响的数值研究

本文采用数值模拟研究串列叶栅后排静叶周向位置对压气机级性能的影响。通过对数值结果的分析给出了串列叶栅在压气机中级的匹配方法及两排静叶周向最佳匹配位置,结合总压损失和壁面流动详细分析了三个典型周向位置对串列叶栅流场的影响。     

吸气槽道形状对扩压叶栅性能的影响

数值模拟了低速条件下吸气槽道宽度、角度变化对采用附面层吸除技术的大转角扩压叶栅气动性能影响。结果表明,附面层抽吸具有显著降低叶栅损失,改善流动,增加负荷及扩压能力等优点;吸气量相同时,槽道宽度增加可进一步改善角区流动并减小叶栅两端部损失,吸气角度变化则对吸气槽道出口压力有较大影响,为非均匀槽道宽度设计及工况变化时有效控制吸气量提供了设计自由度。     

端壁边界层抽吸技术在汽轮机调节级静叶栅中的应用

提出一种在调节级静叶栅叶片吸力面侧端壁处抽吸低能流体至轴封漏汽腔室,以降低静叶栅二次流损失的方法。采用三维稳态时均Ｎ－Ｓ方程组的有限容积差分法数值求解技术,对不考虑栅后漏汽工况、存在吸力面侧端壁抽吸工况及存在栅后蒸汽泄漏工况下的二次流的发展进行了模拟。计算结果表明,所提出的方法可以有效地提高静叶栅效率。     

轴流压气机转子叶尖泄漏涡和尾迹在静子尖区的传播

用三维激光多普勒测速系统测量了轴流压气机设计状态转子叶尖泄漏涡和尾迹在静子尖区的传播过程。结果表明,转子叶尖泄漏涡和转子尾迹周期地扫过静子通道尖区,导致该区出现周期性的流动阻塞和脉动。转子尾迹在静子通道内追赶上从前一转子叶片通道内下来的叶尖泄漏涡,二者的相互作用和掺混导致静子尖区更为复杂的二次流动。同转子尾迹相比,转子叶尖泄漏涡对静子尖区的影响更为明显和深远。静叶尾部吸力面出现流动分离,分离流同低能物质之间发生相互作用和掺混。     

轴向间隙对压气机时序效应影响之二：截面特性

本文实验研究不同轴向间隙、不同静叶时序角度对某低速轴流压气机出口流场的影响.结果表明,当一级静叶尾迹位于二级静叶流道中央位置时对应压气机最低效率状态;一级静叶尾迹重合或接近于二级静叶尾迹时对应压气机最高效率状态.随着轴向间隙的减小,压气机的扩压能力逐渐增强,通流能力下降.此外,设计工况下压气机输入功率也随轴向间隙的减小而增大.综合考虑轴向间隙对压气机扩压能力、通流能力及输入功率的影响,推测存在一个最佳轴向间隙,使得各项因素达到最优匹配,实现压气机的最佳性能.     

叶片倾角变化对扩压器中非定常流动的影响

本文对离心压气机中扩压器与叶轮匹配时的非定常流动进行了数值研究,主要研究了不同扩压器叶片倾角对扩压器中流场的影响,结果显示,扩压器叶片倾角的改变对扩压器中的流场有很大影响,适当调整扩压器叶片的倾角可以减小扩压器流场的波动,同时,叶片与机匣和轮毂的夹角的变化,对于扩压器中流动的分离的发展有重要影响.因此选择合适的扩压器叶片倾角可以改善离心压气机级的性能.