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。     

半开式向心涡轮多物理场耦合优化设计

本文引入叶片几何参数化模型、单向流固耦合算法和均匀试验设计法建立了向心涡轮叶片优化平台。通过对某向心涡轮内三维转捩流场、温度场和叶片固体域的求解,完成了该涡轮的流-热-固多物理场耦合优化设计,获得了最优子午面型线、叶片安装角分布和厚度分布,使其效率有所提高.结果表明:向心涡轮的等熵效率由89.2%提高到89.9%,叶片尾缘泄漏流损失明显降低,最大等效应力和最大径向变形量满足材料拉伸屈服强度和叶顶间隙尺寸要求。     

背腔结构对双级离心空压机轴向力及性能影响

基于高速电机直驱与空气轴承技术的无油离心空压机增压技术在燃料电池进气系统中有着广阔的应用前景。由于空气轴承的轴向承载能力与止推轴承效率成反比,控制和减小空压机轴向推力对于提升空压机工作可靠性及运行效率至关重要。以燃料电池双级离心空压机为研究对象,设计了不同叶轮背腔模型,采用数值方法,研究轴隙泄漏、背腔轴向间隙对空压机性能及轴向力的影响。结果表明,在轴隙泄漏的影响下,背腔结构对轴向推力产生显著影响,且随着轴隙泄漏量增加,背腔结构的影响加剧。在双级结构下,高压级压气机背腔结构的变化对总体轴向推力的影响占据主导作用,通过合理的背腔结构设计并结合背腔密封技术,可有效实现对空压机轴向推力的控制,并减小轴隙泄漏对空压机性能带来的负面影响。     

刷式密封对透平级气动性能影响的研究

采用基于非线性Darcian多孔介质模型三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和SST紊流模型的泄漏流动数值方法对比研究了动叶叶顶迷宫密封和刷式密封的1.5级汽轮机高压缸透平级的气动性能.数值预测实验测量的刷式密封泄漏量与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。详细分析了动叶叶顶迷宫和刷式密封两种结构对1.5级透平级叶顶间隙泄漏特性和气动性能参数的影响特性.结果表明:在相同工况下,相比于叶顶迷宫密封结构,叶顶刷式密封可使透平级级效率提高0.15%,叶顶间隙泄漏量降低30.74%。叶顶刷式密封和迷宫密封结构对透平级反动度和动叶出口气流角的影响基本相同.叶顶刷式密封中刷丝束前后压降大于迷宫密封中相同位置处迷宫齿前后压降,刷丝束起主要封严作用.     

向心式压气机的数值模拟及优化

根据某一压气机级的设计要求,采用向心式结构,合理地设计向心式压气机的气动参数和叶型参数,然后采用ANSYS-geometry对叶片型线进行参数化设置,最后在Workbench平台上对此向心式压气机进行数值模拟和优化。根据数值模拟结果,分析其内部流场流动结构,找到向心式压气机的较优工况;再研究优化后该向心式压气机的总压比、效率随相对流量和转速变化的特性曲线,分析向心式压气机的变工况特性。     

不同轮缘密封结构封严特性研究

主流的高温燃气在压力差的作用下通过涡轮动静叶之间的轮缘间隙入侵盘腔内部,造成涡轮盘过热。本文利用数值模拟计算方法,以1.5级涡轮为研究对象,研究了涡轮轴向轮缘密封、径向轮缘密封以及圆柱孔状径向轮缘密封结构的封严特性,分析了圆柱孔轴向位置和直径尺寸对轮缘燃气入侵和封严特性的影响。结果表明:数值计算得到的结果与实验值吻合良好,验证了所用数值方法的可靠性;径向轮缘密封相对于轴向轮缘密封在小冷气量工况时具有更好的封严性能,但在大冷气量工况下情况相反;当圆孔直径较大时,圆柱孔状径向轮缘密封可以改善传统径向轮缘密封在大冷气量工况下的封严性能,提高封严效率。     

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。     

1+1/2对转涡轮高压动叶叶顶间隙变化规律及影响作用

为阐明1+1/2对转涡轮高压动叶叶顶间隙高度在变工况时的变化规律,以涡轮流场和高压动叶为整体进行气热双向耦合计算,根据所得温度场对叶片进行热弹单向耦合计算,获取了叶片形变量。不同于常规亚音速涡轮动叶的间隙变化规律,1+1/2对转涡轮高压动叶在较高转速和膨胀比的工况范围内,随着膨胀比降低,前缘间隙高度保持不变,而尾缘间隙高度以二次曲线规律减小。这是由于该工况范围内高压动叶流场展向全超音堵塞,喉道上游流场不受膨胀比变化影响,下游流场的温度随膨胀比减小而升高。相应地,叶片喉道前部温度不变、后部温度升高,导致前缘叶高不变、尾缘因热膨胀伸长。为避免尾缘间隙减小引起碰磨,根据叶片尾缘形变特点增大了设计点的尾缘间隙高度,导致设计工况时叶片后部间隙泄漏流射流速度增大、剪切作用增强,泄漏流流量和损失增加。为保证工作安全的同时提高涡轮效率,有必要发展前、尾缘叶顶间隙独立控制方法,使变工况时前、尾缘的叶顶间隙高度皆在合理范围内。     

轮盘侧空腔流动结构及其对离心压缩机气动性能的影响

本文以离心压缩机轮盘侧空腔流域为研究对象,通过数值计算,研究了设计工况下空腔流动结构及对主流区域的影响机制。结果表明,空腔及密封内部流动表现为四类旋涡结构;空腔流动对叶轮内部流动及气动性能的影响较小,但明显增加了扩压器内的流动损失,致使压缩机级性能显著下降。研究工作为深入了解空腔与通流部件间的相互影响规律提供理论依据,为完善离心压缩机气动性能预测模型奠定基础。     

转子偏心对轴流涡轮气动性能的影响

以Aachen 1.5级轴流亚音速实验涡轮为研究对象,采用商用NUMECA软件包对其转子偏心旋转时的流场进行三维定常模拟。研究在大流量工况下,平均叶顶间隙高度比(平均叶顶间隙高度与叶片高度的比值)分别为0.7%、1.3%、1.9%时转子偏心对涡轮性能的影响。在经过验证与确认的基础上,对结果进行了分析。研究结果表明:转子偏心会减小涡轮进口流量,其影响程度与偏心距和平均叶顶间隙高度有关,偏心距越大变化幅度越大;转子偏心对涡轮等熵效率和总功率的影响与偏心距和平均叶顶间隙高度有关,转子偏心有可能增大等熵效率和总功率,也有可能减小等熵效率和总功率,但其变化幅度随着偏心距的增加而增大。     

微燃机气封装置的数值模拟

为了将旋转部件与静止部件之间不同压力的空间隔开,微燃机中采用了气封装置以减少泄流量。泄漏流量的大小,以及其对主流的干扰,微燃机设计时必须加以认真考虑。工作时通过间隙而泄漏的流量过大,必然会对其整体效率产生重大影响。通常,在间隙处采用特殊结构来控制泄流量的大小,减少间隙对微燃机总体效率的影响。本文采用三维数值模拟对微燃机压气机与透平之间的间隙流动进行模拟分析,通过不同工况的比较以及对其内部流场进行分析,研究了气封内部流动特性,使得微燃机总体计算可考虑间隙引起的泄流对微燃机总体效率的影响。     

多级轴流压气机间隙流动数值模拟

本文对某亚音轴流压气机的中间三排叶片进行定常与非定常数值模拟,分析在不同的动叶叶顶间隙和静叶气封间隙组合下压气机的流动特性。计算结果表明:定常计算条件下,叶顶间隙由0．5％叶高增大到2％叶高时,压气机的效率下降1．028％-1．034％,相同的气封间隙变化使效率下降0．108％-0．114％;非定常计算条件下,效率比定常计算高出 1％左右,并且叶顶间隙与气封间隙同时增大1％叶高时,效率下降约1％,与定常计算的规律相同。     

向心透平级内流动的数值研究

本文基于三维N-S方程组,采用结构化网格,用数值方法模拟了一台75 kW微型燃气轮机中涡轮级内的流动。湍流模型采用Baldwin-Lomax模型,计算方法基于Jameson格式。结果表明:静叶流道在吸力面一侧,沿子午流线的前25％区域气流快速膨胀,而压力面在60％以后逐渐膨胀。一定的气流入口角能有效控制导叶内横向二次流动,并使得气流出口角更加均匀,其出口气流的落后角也有明显的减小。在叶轮流道内部的损失区主要集中在吸力面一侧,叶顶间隙的泄漏流动使得吸力面与叶顶间的角隅区的损失有明显加大,控制叶轮的径向间隙对控制流动损失有明显作用。     

向心透平级叶轮内三维复杂流动的数值研究

对向心透平叶轮内部复杂流动在级环境下进行了全三维黏性数值模拟,结合拓扑学原理分析了设计工况和非设计工况下其内流动分离及各种涡系发展的演变过程,初步建立了向心透平叶轮内的旋涡模型,阐述了流动损失的形成机理。研究表明:向心透平叶轮内部涡系与轴流式透平存在较大差别,且流动分离及涡系主要集中在吸力面侧;设计工况下向心透平叶轮内的主要旋涡包括马蹄涡、通道涡及泄漏涡,其主要表现为通道涡与泄漏涡相互影响和掺混,是主要损失的形成原因;非设计工况下,主流在叶轮叶片前缘处发生大范围的分离及回流,造成了较大的能量损失,但二次流损失所占比例较小。     

风力机叶片气动噪声的影响参数*

随着风力机的大型化，风电机组对环境的影响不容忽视，必须对风力机气动噪声进行预测和控制。选取基于NACA、DU翼型的某风力机叶片作为研究基准，采用修正BPM半经验模型计算叶片的气动噪声特性，通过改变翼型族、弦长、机组运行状态、风切变指数、来流风向参数，研究叶片外形几何参数、机组运行工况对叶片气动噪声源的影响。计算结果从多个角度总结出水平轴风力机叶片气动噪声的变化规律，为开发高效低噪风电叶片提供参考。     

Numerical simulation of tissue freezing by liquid nitrogen based cryoprobe

A model is presented to simulate the cooling processes during tumor cryosurgery with different kinds of flows through the cryoprobe. The heat flux between the cryoprobe wall and the tumor, the heat transfer coefficient under different inflow conditions are obtained numerically. The impact of the inlet mass flow rate, gas volume fraction on these parameters is investigated. It is found that the heat transfer coefficient decreased significantly when inflow changed from two-phase annular flow to droplet flow, and to gas flow. The inlet gas volume fraction and flow velocity only significantly affect the freezing ability of the probe when the inflow is gas or in droplet phase. Simulation of the tumor temperature profiles under different flow conditions show that the heat transfer coefficient is a crucial parameter in temperature prediction during cryosurgery. Results indicate that when the cryoprobe wall is assumed at a constant temperature conventionally, the cooling effect could be overestimated. It would be more reasonable to use the constant wall heat transfer coefficient to simulate the cooling progress under a specific flow.     

Investigation of annular supersonic inlets with isentropic compression

A technique for designing the supersonic annular inlets with isentropic deceleration surfaces is considered. The contour of an isentropic supersonic nozzle constructed by the method of characteristics for an inviscid gas flow with given uniform parameters at the inlet and at the outlet is used as the basic configuration of the inlet. The reversed flow of a viscous gas is computed with the aid of numerical techniques in the contour under consideration and the real operational characteristics of the obtained inlet of a fixed geometry are determined in the range of the conditions of its application. In the process of computations, the minimum cross-sectional sizes are selected, which ensure the inlet start without a detached bow shock at the entrance.     

无缓冲气COIL扩压器流场数值模拟

 以无缓冲气化学氧碘激光器(COIL)实验器件的数据计算得到的混合喷管出口参数平均值作为光腔入口条件，对6种不同构型的扩压器从光腔入口至扩压器出口的流场进行了数值模拟，得出了各流场参数分布；对不同构型扩压器的流场特点、总压恢复性能进行了分析；研究了扩压器出口背压对流场参数的影响。结果表明：对于主流无缓冲气的COIL，等截面扩压器具有较好的压力恢复性能；增大扩压器出口背压可以使扩压器的压力恢复性能提高，然而，较高的背压使激波串向光腔方向移动，从而使光腔流场受到干扰，影响光腔的光束质量。