1+1/2对转涡轮用出口超音叶栅设计与试验

本文以1 1/2对转涡轮为背景,开展出口马赫数1.5、气流角为70°高出口马赫数涡轮叶栅设计与试验研究。研究与分析表明,尾缘厚度及尾缘附近叶表速度分布是决定上述高出口马赫数叶栅性能的关键;尾缘后约一倍叶栅出口宽度范围内,损失剧烈增加,此距离之后,总压降低趋于平缓。初步试验结果说明高出口马赫数涡轮叶栅是可行的。     

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。     

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.     

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。     

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。     

几何参数对紧凑涡轮过渡段内部流动机理影响研究

本文深入探讨了定常来流条件下过渡段内部流动机理和损失机制。通过保持过渡段长高比、雷诺数和进口旋流不变,借助实验和数值模拟方法,系统地研究了过渡段中位角和出口面积对其内部流动及气动性能影响。研究发现,过渡段内部流场结构主要以对涡及轮毂和机匣区域附面层分离为主。过渡段来流尾迹、中位角及进出口面积比是影响过渡段内部流动损失的三个主要因素。其中,中位角决定了机匣第一弯逆压梯度强度,面积比主要控制第二弯静压升,上游尾迹是诱发机匣侧流动分离的主要诱因。在大中位角情况下,机匣第一弯的流动分离更严重,分离明显提前。在大面积比情况下,机匣侧不仅出现由上游尾迹堆积产生的流动分离,还会出现机匣附面层自身二维分离。随着过渡段的中位角和面积比增大,损失急剧增加。     

端壁射流对高速扩压叶栅性能的影响

采用角区端壁射流控制某进口马赫数为Ma=0.67的高速平面扩压叶栅流动分离。研究了射流轴向位置和角度对叶栅气动性能的影响,结果表明:通过对角区内注入能量可有效减弱流道后部的流动分离,仅采用相当于主流流量0.6%的射流气体,可使得叶栅出口总压损失系数降低10.0%。位于角区内分离起始位置处的射流控制效果最佳;随着角度的增加,射流与来流间的冲击和掺混损失增大,近叶展中部的分离流动加剧,使得流动控制效果减弱。     

端壁横向射流对高速扩压叶栅性能的影响

通过数值模拟研究了不同射流缝长度以及射流总压比对端壁横向射流抑制横向二次流动和减小损失作用效果的影响,结果表明:采用与流向具有一定夹角的横向射流可有效抑制端区二次流动,减少角区低能流体堆积,推迟吸力面流动分离,提高出口气流角均匀性。仅采用不足叶栅进口流量0.3%的射流气体,就能使总压损失系数降低11.3%。增加射流缝长度的或者提高射流总压均可增强其减弱分离流动的效果,但射流与横向二次流相互作用导致的冲击和掺混损失也增大。     

来流马赫数波动对扩压叶栅气动性能的影响

准确地掌握来流马赫数的波动(即不确定性)对扩压叶栅的气动性能的影响对于指导压气机设计具有重要意义。采用非嵌入式混沌多项式方法,从统计学的角度评估了随机来流马赫数对扩压叶栅气动性能的影响,并着重对比分析了不同攻角和不同随机来流马赫数工况下来流马赫数的不确定性对扩压叶栅气动性能的整体影响和随之带来的气动性能的波动影响。研究结果表明,来流马赫数的不确定性的确对叶栅气动性能产生影响:来流攻角偏离设计攻角越多,叶栅的气动性能对来流马赫数的不确定性越敏感,且在叶栅通道中反应较敏感区域的范围及位置均随着攻角的变化而变化;随机来流马赫数越高,叶栅的气动性能对来流马赫数的不确定性越敏感。     

射流旋涡发生器对高速扩压叶栅端区流动的影响

在进口马赫数Ma=0.67的高速平面扩压叶栅端壁采用射流旋涡发生器以控制其二次流动。数值模拟结果表明:射流旋涡可有效抑制端壁附面层横向迁移,增强端区与主流间的流体掺混,从而显著减弱角区低能流体堆积,推迟吸力面侧流动分离,减少栅内损失,增强气流折转能力。随着来流冲角的增加,栅内损失减小越明显,当i=4°,仅采用相当于叶栅进口流量0.2%的射流量,即可使得总压损失减小高达13%。     

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。     

单/双向进气再入式涡轮内部流动特性研究

利用三维数值计算方法,得到了单/双向进气再入式涡轮总体性能参数,并对其内部流动进行了详细研究。通过对数值模拟结果的分析表明:单向进气再入式涡轮尺寸较大、结构复杂的再入管道,使得流经其中的燃气总压损失大于双向进气结构型式,且单向进气再入涡轮第二级动叶进口负冲角更大,造成更高的进气损失,因而其总静效率较双向进气结构型式低2.37%。单向进气再入涡轮动叶排两侧压力沿周向分布不均匀性参数分别为1.0472和1.6530,双向进气结构型式为1.8497和1.1233,双向进气结构型式压力沿周向不均匀性更大,导致轴向间隙内的燃气沿周向窜流的程度更大,且双向进气结构型式的第一级进气扇区与出口段布置在同侧,使得沿周向窜动的燃气更易直接流出涡轮,降低了再入管道对前面级燃气的收集能力。     

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%。     

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。     

动叶顶部间隙对1+1/2对转涡轮性能的影响

本文对1+1／2对转涡轮中动叶顶部间隙大小对涡轮性能的影响进行了详细的数值模拟。对涡轮总体性能参数、节距平均出口气流角、出口节距平均相对马赫数以及不同叶高的负荷进行了对照,发现间隙对1+1／2对转涡轮性能影响明显,尤其是当间隙较大时。当低压动叶间隙宽度达到高压动叶前缘叶高的4．5％时,低压动叶间隙中流动普遍超音,在设计1+1／2对转涡轮时需要加以重点考虑。     

动叶具有缩放型流道的涡轮级效率特性分析

针对一动叶采用缩放式叶型设计、以无导叶对转涡轮为应用背景的涡轮级,通过数值模拟进行研究发现,在设计换算转速下,该涡轮级效率特性呈现"双峰僧'的特点。随着落压比增大,首先动叶进气攻角由负变为零,效率升高并达到极大值;其后,动叶流道内形成正激波,其自身产生波阻并在吸力面引起边界层分离,效率下降;随后,该激波向下游移至叶片尾缘,尾迹损失明显增加,加上波阻、边界层分离的综合作用,效率达到极小值;然后,该激波演变为尾缘斜激波,自身波阻减小,而且它在吸力面引起的边界层分离消失,流道内总体损失下降,效率又会上升并在设计点附近达到极大值;其后,该激波波前马赫数不断增大,波阻损失随之增加,同时尾迹损失也持续增加,效率又会下降。结果显示,高负荷跨音工况下激波与边界层干扰引起的边界层分离损失以及动叶高出口马赫数时尾缘区域的损失(包括波阻损失和尾迹损失)占总体损失的至少1/2以上,在设计优化过程中应重点关注与之相关的动叶吸力面扩张段和叶片尾缘区域。     

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.     

双射流结构环量控制涡轮叶栅的性能EI北大核心CSCD

对将双射流引入高压涡轮导向器叶栅进行了二维数值研究。在叶栅出口为高亚声速和超声速条件下,对三种具有不同曲率尾缘的环量控制叶栅,采用在吸力面和压力面各加一股射流的双射流方式对叶栅的气动性能进行探讨。结果表明:叶栅出口气流马赫数为0.6和1.1时,采用双射流方案取得了好于单射流的出口气流角和膨胀比,但由于多加了一股射流,能量损失有所增加;马赫数为0.85时,单射流结构的环量控制涡轮叶栅气动性能已经比较好,再加入一股射流对叶栅的气动性能没有明显改善;双射流条件下,压力面射流后方存在低压区,使得在叶栅尾缘曲率较大时,吸力面射流也保持了较好的附壁效果。     

双射流结构环量控制涡轮叶栅的性能

对将双射流引入高压涡轮导向器叶栅进行了二维数值研究。在叶栅出口为高亚声速和超声速条件下,对三种具有不同曲率尾缘的环量控制叶栅,采用在吸力面和压力面各加一股射流的双射流方式对叶栅的气动性能进行探讨。结果表明:叶栅出口气流马赫数为0.6和1.1时,采用双射流方案取得了好于单射流的出口气流角和膨胀比,但由于多加了一股射流,能量损失有所增加;马赫数为0.85时,单射流结构的环量控制涡轮叶栅气动性能已经比较好,再加入一股射流对叶栅的气动性能没有明显改善;双射流条件下,压力面射流后方存在低压区,使得在叶栅尾缘曲率较大时,吸力面射流也保持了较好的附壁效果。     

1+1/2对转涡轮应用中的关键技术问题

本文对1+1/2对转涡轮应用的关键技术问题进行了探讨。分析表明,出功比SWR是衡量1+1/2对转涡轮技术 难度的特征参数。增加高压转叶出口气流角和马赫数是降低出功比的两条现实途径。关于高压转叶与低压转叶非定常作用 的分析和理解将是1+1/2对转涡轮成功的关键。