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.     

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.     

动叶叶顶结构对1.5级涡轮气动性能影响的数值研究

基于Lisa 1.5级涡轮,构造全围带、全周小翼及翼型围带动叶叶顶结构模型,并应用数值计算方法,分析不同动叶叶顶结构对涡轮气动性能的影响规律。结果表明,0.97%叶片高度叶顶间隙值下,全围带叶栅气动损失最小,翼型围带次之,2 mm全周小翼控制损失的能力并不明显。此规律与涡轮平面叶栅研究中所得的结论相同。间隙增至1.38%叶片高度值时,间隙泄漏损失与总损失呈现等比例增加,表明此1.5级涡轮中气动损失主要来自于泄漏流动。最后,基于"Scaling"方法,分析不同叶顶结构对涡轮整级机械效率的影响。结果发现,三种叶顶结构均使效率得以提升。这进一步为翼型围带等叶顶结构的实际应用提供理论依据。     

背压对缩放型流道涡轮动叶激波结构的影响

本文采用数值模拟的方法对具有缩放型流道动叶的涡轮级中的激波结构进行了数值研究.在近设计工况下,随叶高的不同,缩放型流道动叶尾缘的相对马赫数分布不同,尾缘燕尾型激波的强弱及其在相邻叶片吸力面的反射波也不同.由于叶片吸力面60%轴向弦长处为一内凹壁面,在该处将会产生一束较强的微弱压缩波,在叶片顶部,该微弱压缩波在通过燕尾波后不远处即发展为一较强的斜激波.随背压增加,动叶尾缘燕尾形激波及其在相邻叶片吸力面上反射波的强度会发生变化,一般来说会减弱,但叶顶由于微弱压缩波所形成的激波会得到强化.     

动叶尾迹对跨声速压气机静叶非定常分离结构的影响研究

采用数值模拟的方法研究了动叶尾迹对跨声速压气机设计工况下静叶表面和下端壁分离结构的非定常影响规律。首先,采用Rotor37的实验结果验证了数值模拟方法的可靠性。通过对跨声速压气机设计工况的计算,认为定常计算和非定常计算的结果整体上是相似的,非定常计算考虑了动叶尾迹对静叶流场的影响。研究表明,动叶尾迹在向下游输运过程中经历了拉伸、扭曲、积聚和耗散的过程。动叶尾迹使动静叶交界面气流角发生周期性波动。动叶尾迹的扫掠,使静叶前缘闭式分离区域范围发生先增大后减小的周期性波动,使静叶尾缘分离形式呈现由闭式分离向开式分离的周期性转化。动叶尾迹的扫掠在马蹄涡吸力面分支前诱导出一个小尺度的旋涡,并使得静叶根部尾缘和下端壁角区处的螺旋点拓扑结构呈周期性变化。动叶尾迹的扫掠使得静叶压力面的局部高静压区发生周期性的迁移。     

轴向间隙对动 /静相干叶排内部非定常特性的影响

本文采用文献［3,4］所发展的滑移界面技术,求解了不同轴向间隙时某一透平级内的非定常流场, 发现轴向间隙由0.152倍栅距变化到0.533倍栅距时,监测点速度u的相对振幅由26.27%下降为7.94%; 速度v的相对振幅由21.34%下降到7.3%。计算结果表明轴向间隙的增大将使动/静叶排间的相互干扰作用减弱,从而使其内部非定常流动特性减小,为设计工作提供了参考依据     

吸力面凸台对缩放型流道涡轮动叶气动性能影响的数值研究

本文采用数值模拟的方法对1+1/2对转涡轮高压动叶吸力面内伸波作用位置添加凸台以降低激波损失的机理进行了研究。通过详细的数值模拟及流场分析可知,加凸台对于涡轮级间的匹配关系不会带来明显的影响,合适的凸台位置及高度能有效地抑制内伸波引起的边界层分离,并在一定程度上减小内伸波的强度,提高涡轮效率.本文研究结果显示,当凸台位于高压动叶吸力面84%～86%轴向弦长,最大高度为1 mm,且与叶片表面光滑连接时,效果最佳,此时涡轮效率提高约0.11%。     

1＋1/2对转涡轮高压动叶顶部间隙流场数值研究

本文对1 1/2对转涡轮中高压动叶顶部间隙中的流动进行了详细的数值研究.通过分析沿弦向不同位置截面上的相对马赫数、速度矢量及静压等的分布,研究了高压动叶间隙及附近的波系及涡系分布.由于1 1/2对转涡轮高压动叶为缩放型流道,其间隙中出现了明显的超音流动,这与普通涡轮间隙中的流动存在明显不同.     

热传导对微型涡轮动叶性能影响的数值模拟

为了探求热传导对微型燃气轮机性能的影响,使用CFX对某微型燃气轮机涡轮动叶的流动特性和换热性能进行了数值模拟并提出了考虑热传导损失的轮周效率的计算方法.通过计算发现热传导对流动和涡轮动叶的性能的影响不可忽略,热传导使动叶输出功和效率明显降低.考虑顶部间隙后,热传导的影响更加显著.     

机匣高速相对运动下温度比对凹槽叶顶气动换热特性的影响

针对航空发动机高压涡轮实际运行工况中来流和涡轮叶片表面的巨大温差,本文以典型凹槽叶顶结构为研究对象,综合考虑静止和机匣高速相对运动条件,开展不同主流–壁温温度比对叶顶表面气动换热特性的影响研究。以课题组实验结果作支撑,对比分析温度比0.6和0.9的数值模拟结果。研究结果表明,随温度比降低,叶顶换热系数明显增加,特别是在机匣相对运动条件下更为明显;凹槽内部和机匣壁面附近流体密度增大,黏度减小,雷诺数明显增加,使得凹槽内旋涡结构位置和尺度发生变化,进一步影响泄漏流动。     

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%。     

端壁与叶片表面静压分布对叶栅气动特性影响的实验研究

气流绕流矩形叶栅时形成马蹄涡、通道涡等复杂涡系。这些旋涡不仅引起能量消散,而且在叶片与端壁组成的角隅里产生分离流。旋涡的形成与附面层的发展有关,决定附面层发展的关键是端壁和叶片表面上的静压分布。本文在不同冲角和叶片倾斜角下测得了不同的端壁和叶片表面静压分布及相应的出口流场,从而找到对应能量损失最小的静压分布。     

转子偏心对轴流涡轮变工况气动特性的影响

本文以Aachen 1.5级轴流涡轮为研究对象,采用Fine/Turbo软件包分别模拟了模拟了三种不同流量工况下,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%时其转子存在静偏心时的三维定常流场。在验证与确认的基础上,分析了转子偏心对激振力和涡轮的气动性能的影响。转子的激振力随偏心距的增大而线性增加,且间隙尺度越大,增加越快。在偏心较为严重时,适当增大间隙尺度,有利于削弱涡动的堵塞效应,降低泄漏损失。     

涡轮排气管对箭底流动结构和气动加热的影响

以安装涡轮排气管和无涡轮排气管的四喷管液体运载火箭为研究对象,通过数值模拟的方法对箭体底部流动结构和气动加热展开分析,研究了涡轮排气管对箭底流动结构和气动加热的影响规律。基于三维多组分Navier-Stokes方程、 RNG k-ε两方程湍流模型、热辐射方程,采用2阶迎风TVD格式离散,建立了运载火箭高空飞行阶段的燃气射流模型,将数值结果与实验数据进行对比,验证了所选用的模型和计算方法的有效性。研究表明涡轮排气管可以改变箭底温度场和流动结构;随着海拔高度的升高,涡轮排气管可以有效地降低箭底对流热流密度,从而起到降低温度的作用;相比于无安装涡轮排气管的运载火箭,箭底近壁面中心区域的压强略有降低,且有向涡轮排气管安装区域膨胀的趋势。     

涡轮静叶周向和轴向弯曲对其气动性能影响的研究

近年来，叶片弯曲在叶轮机械中得到厂越来越广泛的应用。众所周知，合适的周向弯曲或轴向弯曲能够提高叶轮机械的气动性能。但什么样的弯曲规律最好则取决于叶片的负荷与工况。本文试图通过对某大功率汽轮机未级导叶及其弯曲变形的气动计算与分析，深人探讨特定工况下不同弯曲规律对叶片气动性能的影响。文中采用有限体积时问推进法并结合多重网格法求解Ｎ－Ｓ方程，给出了不同弯曲叶型的流场和总体性能比较，详细分析并讨论了计算结果。     

缺陷叶片对跨音速压气机转子气动性能影响

基于Hicks-Henne三维高阶延拓函数,提出了一种表征服役条件下由于积垢、腐蚀或磨损等因素造成压气机叶片表面几何缺陷的三维通用几何参数化建模方法,并以Rotor37为例,重点研究了叶片表面局部凸起缺陷对跨音速压气机转子气动性能和内部流动的影响。结果表明:叶片表面不同位置凸起缺陷的存在,使得Rotor37多变效率下降1.0%~1.3%;当表面凸起缺陷位于吸力面50%叶高、50%弦长附近时,激波诱导边界层分离现象明显加重,致使气动性能衰减更为剧烈。该研究对于深入认识服役条件下的压气机气动性能变化具有一定的理论价值。     

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。     

间隙尺寸对叶栅气动特性影响的实验研究

本文在低速风洞上对叶顶间隙尺寸为0.036 m的常规直叶栅的间隙中分面和上、下游及栅内的气动参数进行了详细的测量,并与黄洪雁博士对相同叶栅测量的0.023 m间隙尺寸下的实验数据进行了比较。通过对实验结果的分析和讨论,认为叶顶间隙的存在将在涡轮叶栅内引起沿叶高指向上端壁的二次流动,从而改善了下半叶展的流动性能,恶化了上半叶展的流动状态。在较大间隙下泄漏流动更加趋近上端壁,增强了壁面剪切效应,从而使得较大间隙的总压损失大于较小间隙。