对转压气机叶顶间隙涡非定常数值研究

以双排对转压气机为研究对象,研究了叶顶间隙对对转压气机性能参数的影响规律。针对大叶顶间隙时对转压气机性能严重恶化问题,从非定常的视角刻画了大叶顶间隙下,工作点变化对其内部流动特征的影响规律,结果表明:随着流量减小,对转压气机中上、下游转子叶尖泄漏涡非定常波动均有增强趋势,下游转子首发失速是对转压气机流动失稳的主要诱因。小流量工况下,叶顶主间隙泄漏涡与次泄漏涡的非定常干涉是下游转子内部非定常波动的主要成因;该工况时,下游转子叶顶间隙涡非定常周向波动强度强于径向波动强度,其影响范围也主要表现在叶顶前缘50%弦长范围内。频谱分析显示,上游转子叶尖泄漏涡非定常波动频率略小于下游转子区,下游转子区静压波动幅值约为上游转子的5倍。     

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.     

某跨音速轴流压气机转子叶顶泄漏流的非定常特征

本文采用数值模拟方法研究了某跨音速轴流压气机转子在设计间隙、不同流量工况下叶顶泄漏流非定常流动特征.结果显示该转子在大部分工况下都出现非定常波动现象.静压均方根值分布表明非定常波动现象主要存在于叶顶,是由叶顶泄漏流自激非定常性引起,激波及波涡干涉位置附近波动不明显.针对小流量工况,分析了泄漏流的非定常特征和叶顶拟S1流面瞬态静压在一个波动周期内随时间的变化规律,并详细阐述了间隙中部叶顶两侧压差与泄漏流速度之间的动态循环过程.随流量减小,叶顶非定常波动频率减小,波动强度增强,压力面最强的波动区域向前缘移动.     

弯掠动叶对跨声压气机非定常气动负荷的影响

对一单级跨声压气机设计工况采用弯掠动叶前、后的非定常流场进行了数值模拟,深入分析了动叶弯掠对压气机叶片非定常气动负荷的影响.结果表明t动叶弯掠后,动、静叶的气动力和气动力矩时均值由于叶片负荷大小及分布的不同变化而产生不同程度的改变;由于动叶对下游静叶的尾迹和二次流干扰远强于动叶所受到的下游静叶的势流干扰,静叶的气动负荷发生较大波动;弯掠动叶减轻了端壁损失并且减弱了顶部泄漏涡强度和根部角区分离,从而减弱了对下游静叶的非定常干扰,这使得静叶各气动参数的波动幅值显著降低.     

压气机悬臂静叶流场非定常数值模拟

以现代高压压气机一排悬臂静叶与一排转叶组成的典型级为研究对象,采用非定常数值模拟方法,分析了非定常与定常数值模拟计算得出的级特性线以及峰值效率点气动参数在展向分布的差异,并对悬臂静叶内部流场结构进行了详细分析,结果表明:当悬臂静叶的轮毂设计间隙为2.5%叶高时,非定常计算的综合喘振裕度比定常大5.85%;在峰值效率点工况下,悬臂静叶总压损失和转子效率的非定常影响范围在10%以内,转叶进口相对气流角沿展向分布的影响在0.5°以内。悬臂静叶根部10%叶高以下区域出现了明显的泄漏流动,3.4%叶高压力系数变化最大,轮毂泄漏流起始于20%弦长附近,发展到70%弦长位置时泄漏损失最大,随后逐渐减弱.     

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。     

长叶片透平级非定常汽流激振数值研究

通过应用商用软件ANSYS-CFX数值求解Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和k-ε两方程湍流模型的方法对不同流量下的汽轮机末级流场进行了详细的非定常研究分析。本次数值计算的计算域包括末级静叶域、动叶域和弧形扩压段,同时采用叶片约化法减少了计算成本。动叶的围带和拉金(PSC)均考虑在计算域之内以获得更为真实的流场结果。结果表明:末级总总等熵效率和长叶片表面静压呈现明显的周期性波动;随着流量的减小,总总等熵效率和叶片载荷均明显降低,扩压段中出现分离涡,并逐渐扩展到动叶栅通道中;分离涡的频率较低,并对长叶片所受到的气流激振产生影响。     

微型轴流风扇级中叶片表面压力的非定常响应

本文以一种电子元件冷却用的单级微型轴流风扇为研究对象,数值模拟研究其内部的非定常流场,分析了动静干涉下叶表压力的非定常响应特征及其产生机理。研究发现,下游静叶前缘附近的高压力梯度是引起上游转子叶表压力波动的主要原因。该势干扰在向上游转子通道内的传播过程中,转子吸力面附近存在一个扩张区域,该区域内的压力波动相位相同。但在扩张区之外扰动具有轴向指向性,导致压力面上的波动存在相位差。对于下游静子而言,转子尾迹改变了来流冲角,但是这种影响仅限于叶片前缘的滞止点附近的区域;在静叶后半段压力波动微弱.     

多级轴流透平流动损失结构与损失模型的修正

本文采用CFD方法细致分析了Hannover四级轴流透平在多种工况下各排叶栅的流动损失,将损失分解为叶型损失、端部损失和间隙泄漏损失,成功地建立了动、静叶端部损失和间隙泄漏损失沿叶高的的分布规律。在多级环境下,各级静叶和动叶损失规律是相似的,相邻前排叶栅会使后排叶栅的叶型损失项增加30%,但是非相邻叶栅之间几乎没有影响。基于CFD结果,在AMDC损失模型中引入前排叶栅的修正后,提高了多级透平性能的预测精度。     

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%.     

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。     

喷气对低速轴流压气机转子叶顶区域流动的影响

本文采用数值模拟方法研究了近失速工况动叶顶部前缘附近喷气对低速轴流压气机孤立转子叶顶区域流动的影响.受喷射气流的影响,叶顶泄漏流进行自发非定常波动的动态平衡被破坏,建立起新的周期性非定常波动;喷气不仅改变了叶顶泄漏流的起始触发位置,还影响到其形成后的形态和运行轨迹;且喷气后叶顶附近区域损失减小.     

跨音压气机转子叶尖间隙复杂流动观测

本文利用高频响动态压力传感器,在文献［１］的基础上,对ＷＰ１１压气机转子叶尖间隙 流场进行了流场测量。测试包括三个转速多个节流条件下的间隙流场。测试结果表明：激波总体位 置随节流加深而向上游移动,但吸力面最小压力点基本维持在４０％或２０％弦长处不变。当激波位 置在该点之后时,二次漏流直接冲击激波结构;当激波位置在该点之前时,激波结构基本只受前缘 漏流的影响。     

跨音速轴流压气机叶顶间隙泄漏流对微喷气的非定常响应机制和扩稳效果研究

本文将叶顶微喷气方法应用于 NASA Rotor37 跨音速轴流压气机转子,在近失速工况,利用数值模拟方法研究了不同喷气量时叶顶间隙泄漏流对微喷气的非定常响应机理和叶顶微喷气的扩稳效果.结果表明,喷气使得叶顶区域的叶表压力随喷嘴与叶片相对位置的变化沿弦向发生波动,抑制了叶顶泄漏流的自激非定常波动,使叶顶泄漏流轨迹沿叶片吸力面向下游移动,实现了提高压气机性能和稳定性的目的.采用喷射气流的无量纲总动量可关联亚音速和跨音速轴流压气机不同喷气方案的扩稳效果,该无量纲总动量与来流总动量和喷射气流高度成反比,而与叶高和喷射气流总动量成正比.     

压气机非定常叶顶间隙流的数值模拟研究

利用数值方法研究了某低速轴流孤立压气机转子中非定常叶顶间隙流的流动特征和频率特性。结果显示转子顶部区域的压力脉动主要来源于叶顶泄漏涡的非定常波动。波动的具体形式表现为泄漏涡瞬态空间位置、尺度和形态的周期性变化,波动频率为1266 Hz。     

从非定常效应看对旋风扇/压气机的工程实现

首先利用全隐格式的非稳态压力修正求解方法；计算对旋风扇级间流场非定常流动情况，并与实验结果进行了有益的对比；在动态实验研究中则通过单斜丝热线风速仪对对旋风扇级间速度场进行了详细分析，并揭示其级间非定常效应的独特规律：下游转子的非定常位势流作用在对旋级间流场的周期性非定常影响中占主导地位，级间径向速度的大小则主要与前级转子叶尖区和叶根区的二次流动旋涡强度有关．上述结果表明：对旋风扇／压气机的非定常效应对其性能有很大影响，如果很好地组织对旋叶轮的非定常流动气动布局，可进一步提高增压系统的压比、效率和稳定工作范围。     

弯曲动叶对跨音轴流压气机性能的影响

对具有弯曲动叶的跨音轴流压气机性能的数值研究表明,反弯曲动叶中通道激波沿径向倾斜角度最大,在顶部移向下游,在中部移向前缘,提高了失速裕度,但也增加了中部损失,反弯曲动叶级效率最低。正弯曲动叶中通道激波在顶部前移,失速裕度下降,通道激波近似为径向,负荷沿叶高分布均匀,气动效率最高。通道激波位置合理分布是弯曲动叶改型设计成功的关键。     

轴向斜缝机匣处理与转子通道之间耦合流动分析

轴向斜缝机匣处理能够有效地扩大压气机的稳定工作范围,本文对轴向斜缝处理机匣与亚音速压气机转子通道之间的耦合流动进行了时间精确的全三维数值模拟,数值结果所获得的总性能与试验结果符合较好。详细分析了处理机匣与转子通道之间非定常干涉现象以及处理机匣结构引入后转子顶部区域不同的流场结构,数值计算结果表明,对具有高损失高阻塞效应的间隙泄漏流及其间隙泄漏涡的控制是轴向斜缝机匣处理扩大压气机稳定工作裕度的主要原因。     

压气机转子三维紊流流场

在低速大尺寸压气机试验台上，用单斜热丝、高频压力探针及由旋转四坐标全电动探针位移机构带动的五孔气动探针，测量了单级压气机转子出口和单转子压气机叶片通道尖区在不同流量状态下三维平均和亲流流场。设计状态，叶尖泄漏涡的发展及其与端壁附面层的交混决定了尖区的流动特性。小流量状态，叶片吸力面附面层增厚，近失速状态尖部吸力面附面层发生分离，吸力而附面层内径向潜移强烈，叶尖吸力面角区产生大范围强旋涡，角区部分低能流体移向叶尖通道中部，与端壁附面层、泄漏涡、刮削涡及主流发生交混．     

叶轮机械复杂流动的PIV应用研究

本文发展了适用于叶轮机械等复杂内流系统使用的ＣＣＤ视场标定技术,以及能够消除视窗大颗粒污染带来的影响的图象处理技术,并在高速压气机实验台上对一小展弦比高负荷跨音风扇转子尖部的非定常瞬态流场进行了成功测量．