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%.     

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.     

凹槽叶顶非定常间隙泄漏流动和传热的数值研究

应用数值方法研究了燃气透平中凹槽状叶顶非定常泄漏流动和传热问题.计算采用GE-E3发动机高压透平第一级动叶,叶顶间隙高度取1%叶高,叶顶凹槽深度取2%叶高.通过施加非定常边界条件模拟上游静叶尾迹,分析了非定常流动对动叶叶顶传热的影响.结果表明,叶顶附近的流场波动主要出现在叶顶前部及尾缘附近.叶顶凹槽底部传热系数变化主要出现在凹槽前部.定常计算获得的叶顶面积平均传热系数与非定常计算的时均结果相差很小.     

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.     

深凹槽式涡轮叶顶间隙泄漏直列叶栅实验研究

在低速风洞实验台,对具有不同深凹槽结构平面叶栅在不同间隙尺度条件下的流动特性进行了实验研究。实验采用五孔气动探针和高灵敏度及高精度的压力扫描阀测量了叶栅出口截面的气动参数,对比分析了总压损失的展向分布,并在叶栅端壁和叶片表面进行墨迹显示。结果表明,深凹槽式叶顶结构应用于本文研究的叶栅上是可行的。深凹槽尾缘开口有利于降低叶顶间隙泄漏损失,凹槽前缘开口对前缘附近局部流动产生一定影响。对整个流动通道涡生成影响不如泄漏流作用强,并且尾缘开口与前缘开口开度的匹配对叶顶间隙泄漏损失有明显的影响。     

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.     

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.     

1.5级透平动叶端壁泄漏流换热与冷却研究

本文数值研究了一级半透平中动静间隙泄漏流对动叶端壁表面换热与冷却的影响,分析了冷气质量流量比、密度比和动叶转速等三个重要因素对动叶端壁表面换热与冷却的作用规律。结果显示,质量流量比和密度比增加会强化端壁上游区域和主通道涡分离线下游区域的换热,但在冷却方面仅在端壁上游区域进一步产生过冷现象而对端壁通道下游的冷却几乎没有任何影响;转速的上升则会削弱端壁换热,并且会抑制通道涡,但对冷气的覆盖面积没有明显的提升作用。     

超跨声涡轮叶栅尾缘激波系流动研究

本文通过分析超跨声涡轮尾缘波系的流动机理给出了详细的尾缘激波系流动图画,强调了尾缘分离激波的重要作用.经过分析,认为基底区压力是通过影响基底区宽度来影响涡轮叶栅尾缘激波强度的.最后将上述机理应用到某叶栅S1计算程序的改进工作中,数值计算和叶栅试验结果表明,改进工作有效提高了该程序对超跨声涡轮叶栅尾缘激波流动的模拟能力.     

存在热斑及总压梯度时静叶正弯对透平级气热特性的影响

通过三维非定常数值计算,研究了透平进口存在热斑及总压梯度时静叶正弯引起的高压燃气透平气热性能变化,分析了静叶正弯对动叶壁面、叶顶和端壁热负荷的影响。结果表明:静叶正弯改变了静叶吸力面静压及载荷分布,削弱了端壁二次流,使透平效率略有增加;同时静叶正弯增强了静叶吸力面侧流体从端壁向叶片中部的迁移,削弱了热斑的径向耗散。总压梯度的存在使静叶正弯不会引起动叶壁面二次流结构的显著变化,但热斑耗散程度的减弱会影响动叶热负荷分布。静叶正弯使动叶压力面高热负荷区传热恶化,但可以显著削弱动叶叶顶、下端壁及机匣的高温区域。     

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。     

高压涡轮动叶机匣颗粒物沉积效应的非定常数值研究

航空发动机高压涡轮动叶叶顶区域的流动和传热特性对机匣表面的颗粒沉积物十分敏感。本文针对航空发动机第一级高压涡轮，通过用户自定义函数以及动网格更新技术，采用非定常数值模拟方法，研究了颗粒污染物在高压涡轮动叶通道机匣表面的沉积特性以及沉积物对叶顶区域气动和传热性能的影响，并比较了平叶顶和凹槽叶顶结构导致的沉积特性和气热性能差异。结果表明，颗粒物在动叶通道机匣表面的沉积特性对于叶顶结构并不敏感，颗粒物主要沉积在叶顶中弦附近区域的机匣表面，沉积物沿周向周期性地呈梭形带状分布。颗粒物沉积后，主流在流经机匣表面后会发生流动分离，使得机匣表面的热负荷降低，但会导致平叶顶中后弦区域的热负荷增加。     

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%。     

可调向心涡轮后加载型导叶设计和数值研究

针对某可调向心涡轮导叶段存在的强激波和端壁泄漏损失,设计了一种后加载特性导叶,并在级环境下进行了研究。首先对比了原模型设计开度下的数值与实验结果,验证了数值模型的有效性,然后进行了将原模型和新模型的定常与非定常计算。结果表明:后加载型导叶在通过降低导叶端壁泄漏涡强度而减小其总压损失的同时可大幅度弱化导叶喉部和尾缘激波强度;导叶间隙泄漏流和尾缘激波的减弱使转子叶片静压波动强度降低,增强了转子叶片的可靠性。     

间隙高度对涡轮叶顶间隙流动的影响

叶顶间隙流动是导致涡轮动叶中产生流动损失的主要原因之一.对某动力涡轮第一级内三维流动的数值计算结果表明,流体在经过动叶叶顶间隙以后在约25%叶顶轴向弦长处(τ=3mm)在叶顶与吸力边夹角处卷起形成间隙涡,造成流动阻塞,同时在间隙内叶片顶部10%叶顶轴向弦长处(τ=3mm)开始在压力边出现叶顶分离涡,使得间隙流动损失增加.随着间隙高度增大,通过间隙的流量增加,间隙涡形成位置后移,间隙涡、叶顶分离涡尺寸变大,在流道内影响范围增大,导致流动损失变大.     

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。     

超临界二氧化碳离心压缩机叶顶两相流动研究

对带有叶顶间隙的超临界二氧化碳离心压缩机进行了数值模拟,在分析叶顶间隙内流动的基础上,研究了叶顶区域二氧化碳两相流动形成与发展的机理,对比分析了不同叶顶间隙对叶顶两相流动的影响。结果表明:在"引射"与"叶顶前缘脱落涡"的共同作用下,主、分流叶片叶顶前缘具有明显的低压、低温区域,二氧化碳进入两相区;在叶顶前缘尖角处,工质具有产生"凝结"的可能性。叶顶间隙泄漏涡对叶顶两相区域的形成与发展具有明显的抑制与削弱作用。随着叶顶间隙的增加,主叶片顶部前缘两相流区域分布及趋势基本相同,但前缘尖角位置低温、低压现象更加明显,可能会产生更加严重的"凝结"现象。同时,叶顶间隙的增加可以有效减小分流叶片顶部两相流区范围及影响。     

端壁叶间装配缝尾段泄漏流气膜冷却特性

为了揭示端壁装配缝几何参数对叶片尾缘下游部分的气膜冷却特性影响机理,本文对GE-E~3直列叶栅中的装配缝气膜冷却特性进行了数值模拟研究。研究发现槽缝几何参数对叶片尾缘的冷却特性具有较大影响。装配缝两侧端壁中,靠近吸力面端壁低于另一侧端壁对提高端壁气膜有效度具有有利作用。双侧切角结构虽然提高了靠近装配缝区域的气膜有效度,但增大了冷却盲区。装配缝结构应以靠近吸力侧偏低的几何关系和提高冷却出流速度为目标进行设计和优化。     

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。     

叶片尾缘掠型对离心压气机特性影响研究

针对叶片尾缘掠型对离心压气机特性影响开展了数值仿真与试验验证的研究工作,详细分析了尾缘掠型对压气机特性的影响规律和压气机叶轮内部流动特征,研究结果表明:尾缘掠型能够提升压气机出口的总压,使离心压气机压比变高,自由掠叶型相比于斜掠叶型,压比会进一步提升。叶片尾缘掠型能够有效抑制尾缘流动分离与叶间泄漏效应的结合效果,降低流动分离强度和分离区域,提升叶轮的稳定工作范围与效率。试验验证结果表明采用自由掠型尾缘叶轮,压比随着转速的升高提升幅度变大,最多提升了9.14%,喘振线明显向左偏移,运行流量范围拓宽。尾缘掠型能够有效提升压气机压比和稳定工作范围,是改善压气机特性的有效手段。