动叶围带顶部泄漏流动对透平级气动性能影响的数值研究

采用计算流体动力学软件CFX-TASCflow数值研究了带围带的动叶顶部间隙内泄漏流动对动叶流动效率以及下一级静叶进口气流角的影响特性.数值模拟了装有不同迷宫式汽封齿数时的动叶顶部间隙泄漏流动特性.揭示了泄漏流动不再是跨叶顶的横向流动,而是在叶顶间隙内沿着轴向流动.给出了动叶顶部间隙泄漏流场的结构,泄漏流与主流掺混后的流场对下游静叶性能的影响.研究结果表明泄漏流与动叶通道内的主流在动叶下游掺混后,改变了上半通道气流的流动方向,使这部分气流偏离设计工况,使下游静叶产生攻角损失.动叶顶部间隙泄漏流有较大的径向速度,在与主流掺混并进入动叶下游静叶后,会向着静叶中叶展处发展,改变静叶上半部流场的结构.动叶顶部间隙汽封齿数增多时这种效果就减小,静叶等熵效率的降低就越少,同时讨论了动叶顶部间隙泄漏流动对透平级气动性能的影响.     

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%.     

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%。     

叶顶布置蜂窝的涡轮平面叶栅间隙泄漏流动研究

本文提出一种将蜂窝结构直接布置在涡轮动叶顶部的抑制涡轮径向间隙泄漏流动新措旌,数值研究了有/无蜂窝叶对涡轮平面叶栅间隙泄漏流场的影响。结果表明,蜂窝叶顶使得进入蜂窝腔的间隙流体形成旋涡运动,对间隙流具有能量耗散的作用,形成的径向射流类似于"气动栅栏",增加间隙内流体的运动阻力,进而对间隙泄漏流产生有效的抑制效果。与常规无蜂窝平顶叶栅相比,蜂窝叶顶叶栅的相对泄漏流量减低了约10%,形成的泄漏涡尺寸减小,叶栅出口下游总损失降低了4%。     

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。     

基于DDES模拟的叶顶间隙流湍流特性研究

叶顶间隙泄漏流使得叶片顶部流动变得复杂,对间隙泄漏流的流动结构进行精细地捕捉并探讨其湍流特性有利于更深入的了解间隙泄漏流的流动机理,为控制泄漏损失提供依据。本文利用延迟脱体涡模拟方法对叶顶间隙泄漏流动进行非定常数值模拟;然后从叶顶间隙流的流动涡结构演变,湍动能和各向异性等方面研究叶顶间隙流的湍流特性;利用POD模态分解的方法对湍流特性做进一步分析,对分流场的基本规律、演变特点进行了详细研究;最后结合熵生成率,对泄漏流流动结构造成的损失进行了分析。研究发现,泄漏流在下游区存在着强湍流特性,涡尺度受不同的雷诺应力影响,且大尺度流动结构造成主要的耗散损失。     

轴流压气机内部流动失稳及机匣处理扩稳机理探索

本文首先利用动态测试手段和非定常数值模拟手段探讨了亚音速条件下叶顶复杂流动机制触发轴流压气机内部流动失稳机制.然后利用全三维非定常数值模拟技术对二种不同处理机匣与亚音速压气机转子叶顶流场之间的耦合流动机制进行了详细的分析,对比分析了处理机匣引入前后压气机叶顶流场结构的变化,研究结果表明:顶部间隙泄漏流所导致的堆积在叶片通道相邻叶片压力面附近的阻塞是触发该压气机内部流动失稳的主要的机制,而处理机匣结构能够抑制或者吸除叶顶区域由于顶部间隙泄漏流导致的阻塞,推迟相邻叶片压力面前缘附近间隙泄漏流溢流的出现,从而提高压气机的失速裕度.     

间隙区域的流动结构对压气机气动性能的影响

以一单级轴流压气机实验台为研究对象,对其内部流动进行了全工况的数值模拟。数值计算结果与实验测量结果对比分析表明程序很好地预测出了单级压气机的总性能和基元性能。数值分析峰值效率和失速边界工况下动叶和静叶间隙区域流动结构的变化表明:随着压气机的运行工况由峰值效率点向失速边界点移动,动、静叶间隙泄漏涡向下游发展过程中产生的阻塞效应明显增强,该阻塞效应是导致压气机失速的主要原因。     

跨音风扇顶部激波、泄漏流作用的数值研究

本文针对一小展弦比、大稠度带有串列静叶的现代小型跨音速风扇级,采用数值模拟的方法研究了动叶顶部间隙大小对风扇转子设计点性能的影响.分别对动叶顶部相对间隙大小为0%、0.132%、0.396%、0.66%,1.32%五种情况进行了数值模拟.计算结果表明,随着动叶叶顶间隙的增加,风扇性能变化显著.动叶顶部间隙对跨音速风扇顶部激波、激波边界层相互作用都会产生影响.叶顶区域的阻塞与高损失与叶顶间隙的大小,泄漏流的强弱有着十分密切的联系.     

凹槽对动叶顶部流动和换热的影响

应用数值方法和标准κ-ω紊流模型,研究了凹槽对燃气轮机透平动叶顶部间隙内流动与换热的影响,考虑了平顶部及4种不同深度凹槽的影响.结果显示,在凹槽内存在复杂的流动结构,不同凹槽深度时呈现出不同的涡结构.在凹槽深度小于3%相对叶高时,泄漏流动随凹槽深度的增加而减少,而高于3%时泄漏流量则几乎不变.凹槽的存在使得凹槽底部局部区域换热率较平顶部时升高,但总体来说,叶顶平均表面换热率随凹槽深度的增加而降低.     

周向弯曲低压轴流风机叶顶泄漏流动数值研究

本文采用数值模拟的方法,对三种带有周向弯曲叶片的低压轴流通风机(原型叶轮、周向前弯及后弯叶轮)的叶顶泄漏流动进行了研究。在数值计算与试验测量结果较为吻合的条件下,从流场和压力场等不同角度分析探讨了叶片周向弯曲后,叶顶泄漏流动和泄漏涡的形成和发展规律。数值计算结果表明,叶顶周向前弯加剧了泄漏涡与主流的掺混;周向后弯叶轮比前弯叶轮有助于减弱叶顶泄漏流动;强度大、衰减慢的泄漏涡,降低了叶顶的通流能力,同时与主流的掺混加剧也增大了叶轮的端部损失;此外,顶部间隙高度的增加,泄漏流动加强,旋涡的起始点更靠近叶片后缘。     

前缘弯掠斜流转子叶顶间隙流动特性数值分析

本文对前缘弯掠斜流转子叶顶间隙内的流动特性进行了数值分析。结果表明:叶顶间隙气流与主流发生卷吸而生成泄漏涡。泄漏涡作用的区域具有较低的压力分布。在叶片通道内,泄漏涡沿着与转子旋向相反的方向朝相邻叶片的压力面移动。大间隙时的泄漏涡比小间隙时强烈。低流量时泄漏涡的作用区域比高流量时大。在各种流量特性下,叶顶尾缘近吸力面区域都存在着二次间隙流。     

叶顶间隙大小和壁面相对运动对低速轴流压气机孤立转子性能的影响

本文针对一低速轴流压气机孤立转子,利用数值方法分析了不同叶顶间隙大小、机匣和叶顶之间相对运动对其总体性能的影响。 结果表明存在着最佳顶部间隙,原因是顶部区域吸力面边界层引起的损失由于叶顶间隙流的作用而减少,虽然存在泄漏损失,但总损失却小于无顶部间隙时的损失。壁面相对静止和相对运动时的顶部区域二次流和损失分布有着明显的区别,因此某些没有考虑壁面相对运动的平面叶栅实验或计算结果在用于压气机转子设计时,需要经过一定的修正。     

跨音压气机转子叶尖流场试验与分析

本文利用高频响动态压力测试技术测量了某跨音压气机转子叶尖间隙流场,其中包括对跨音转子叶尖漏流和激波／漏流干扰的细致流场特征．测试结果表明激波在机匣壁面处受漏流干扰的影响相当大,这一干扰分别来自于前缘漏流涡的干扰和叶尖第二次漏流对通道激波的直接冲击干扰,使激波结构呈“S”形.在低背压高攻角条件下,转子存在十分明显的尾涡．     

低速轴流压气机中工况变化对动叶顶部泄漏流波动频率的影响

本文利用数值方法研究了某两级低速轴流压气机第二级动叶在存在前后静叶扰动时,工况变化对其顶部非定常泄漏流波动频率的影响。结果显示其波动主要集中在泄漏涡轨迹附近,并且随着流量减小而增强。在大流量工况,其波动频率为转子通道频率。在中等流量工况,其波动频率为0.59倍通道频率。在小流量工况,其波动频率为0.51倍通道频率。并且其波动频率与前后静叶扰动强度无关。     

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。     

离心压气机叶尖间隙泄漏流动数值研究

采用离心压气机计算机辅助设计系统,设计了一个离心压气机叶轮,对这一叶轮在不同叶尖间隙下内部流场进行了数值计算。给出了不同弦长截面二次流矢量、二次流流以及机匣壁面极限流线等计算结果。结果表明叶尖间隙的大小与泄漏流动的强度密切相关。分流叶片的泄漏流动随着叶尖间隙的增大而增强。通道涡与合适的叶尖间隙所形成的泄漏涡相互作用可以削弱泄漏强度,改善流动。     

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.     

跨音速轴流风扇转子叶顶泄漏流的数值研究

采用数值模拟方法研究了不同间隙,不同流量工况下叶顶泄漏流非定常流动特征,发现在研究的三个间隙中,只有当间隙大于或等于设计间隙时,流动才会出现非定常性.随着流量的减小,泄漏涡轨迹前移,当泄漏涡轨迹到达相邻叶片压力面时,影响压力面压力分布,打破流场静态平衡,引起叶顶流场及激波位置、强度发生非定常波动.     

叶轮顶部间隙对向心透平总体性能影响的研究

对微型燃机向心透平叶轮顶部间隙流动在级环境下进行了全三维粘性数值模拟．研究结果表明:顶部间隙小于 2％时,间隙每增加1％,级效率降低1．5％,而级通流能力有所降低;径向与轴向间隙变化对级性能影响有很大差别, 径向间隙增加对级效率降低的影响是轴向间隙增加的8．3倍,径向间隙增加使通流能力增强的程度是轴向间隙增加使通流能力减弱的4．2倍。此外,将间隙流场与文献报道试验结果进行了比较,差别主要在工作轮顶部区域。