局部进气涡轮优化设计研究

为了能够有效优化局部进气涡轮性能,通过对现有软件模块进行二次开发,并利用人工神经网络结合粒子群-遗传混合算法,建立了局部进气涡轮气动优化设计平台,分别在全周进气单流道和局部进气环境下对涡轮进行了分步优化。结果表明:在全周进气单流道条件下,通过对各排动静叶进出口几何角、安装角和第一级动叶积叠规律的优化,改善了涡轮内部流动状态,使涡轮总静效率在全周进气单流道条件下累计提升了3.24%;通过对全周进气单流道优化结果进行局部进气构型,并进一步在局部进气环境下对第一级动叶叶型进行优化,消除了第一级动叶排根部因局部进气气动参数周向分布不均匀而导致的流动分离,使优化后的局部进气涡轮总静效率较原型累计提升了3.72%。     

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。     

导叶调节对双级对转压气机性能影响的研究

本文以某双级对转压气机为研究对象,基于并行计算技术,用数值模拟的方法计算研究了进口导叶安装角对对转压气机性能影响规律,从机理上分析了设计流量下导叶调节对各叶排来流气流角影响,为对转压气机的进一步优化设计提供依据。计算结果表明:在现有计算机条件下,并行计算技术的采用大大提高了计算效率;进口导叶安装角对对转压气机性能有一定影响,当进口导叶向负方向调整时,转子1工作正攻角下,出口导叶工作于负攻角,压气机的增压比升高,效率基本不变,稳定工作范围略有增大。     

小型轴流式管路液力涡轮的试验研究

为获得小型管路液力涡轮的水力模型和工作特性,对不同参数下液力涡轮的水力性能进行了试验研究,分析了涡轮输出转速及扭矩的变化特性及影响因素,主要探讨了通过涡轮的流体流量、压力以及叶片安装角对涡轮水力性能的影响.多种工况的试验结果表明,液体流量是影响涡轮输出性能的主要动力参数,可以通过流量的变化调节涡轮的输出转速和输出扭矩;叶片安装角对涡轮工作效率的影响较大,不同安装角度涡轮的设计转速要与其最高效率点相对应.     

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。     

短周期涡轮试验数据不确定度分析

为了评估短周期涡轮性能试验测量精度以及非稳态效应对其的影响,本文结合适当的扩展不确定度模型对涡轮效率及进口折合质量流量的测量不确定度进行了计算及分析。研究结果表明:短周期涡轮试验台特有的非稳态效应对效率测量不确定度的影响小于1.12%;涡轮进口马赫数对测量不确定度影响最大,流量测量不确定度与涡轮进口马赫数平方近似呈反比例关系,效率测量不确定度亦随其减小而迅速增大。研究发现对于涡轮进口马赫数小于0.158的工况,效率测量不确定度将不符合HB 7081-1994要求。针对此类工况,出于提高流量及效率测量精度的目的,研究了利用差压传感器测量涡轮进口动压进而计算流量的方法,结果表明该方法的效率及流量测量不确定度比使用总、静压传感器测量流量这种方法可分别减小58%及73%以上,且其均不随马赫数减小而增大。进一步的分析表明,对于马赫数小于0.158的工况,应采用该方案进行流量测量。     

180°进气弯管安装角度对离心压气机的性能影响

针对车用涡轮增压器压气机进口广泛采用弯管的现实,有必要评估弯管导流进气对离心压气机性能的影响,为发动机进气管道的优化提供参考。本文对离心压气机进口接入直管和多种不同安装角度的180°弯管展开实验和数值研究。研究结果表明:弯管进气使压气机性能下降,其性能下降程度与弯管的周向安装位置有关,而且这种影响随流量增加而增大;叶轮进口的流场结构受进气管道导流、叶轮势流和下游蜗壳周向不对称性共同作用,其对应的总压畸变形态改变了叶轮进气条件,导致压气机性能不同程度下降。     

超音速涡轮叶栅气动性能实验及分析

利用中国科学院工程热物理研究所和哈尔滨汽轮机厂合建的暂冲式超音速平面叶栅风洞,在详细校核进口流动均匀性、出口流动周期性及叶栅中部流动二元性的基础上,详细测试了三套超音速涡轮叶栅在设计和非设计等三个攻角状态下的气动性能及叶片表面压力分布,为超音速涡轮叶栅的后续研究积累了翔实的实验资料。     

进口压力对涡轮阻尼器性能影响计算分析和实验研究

为了研究进口压力对涡轮阻尼器性能的影响,采用CFD数值计算和实验验证的方法,分析了不同进口压力对转子阻尼系数及内流场的影响,结果表明:空化是涡轮阻尼器阻尼系数的重要影响因素,进口压力是涡轮阻尼器腔内是否产生空化的关键因素.在特定运行转速下,当进口压力值低于某一临界空化压力时,涡轮阻尼器腔内会产生空化,且随着进口压力的增大,空化程度逐渐减弱,阻尼系数逐步增大;当进口压力大于某一临界空化压力时,腔内不会产生空化,阻尼系数达到最大值并保持不变。     

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。     

不同进气湿度PEMFC动态响应分析

质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作参数的影响最终要体现在对电池内传质过程的影响上。实验得到了在不同进气加湿程度下电池性能在启动工况中的变化,基于非稳态数学模型计算了不同阴极入口湿度下电池在负载渐变工况下膜内含水量和电流密度的瞬态响应,并与相应的实验工况进行了对比。     

风力机翼型的不确定性CFD模拟

本文采用非嵌入式概率配点法对风力机NREL_S809翼型进行了不确定性CFD模拟。在两种特征攻角下,量化了当来流攻角存在不确定性变化时,翼型气动特性的变化,以及不确定性扰动在流场中的传播。研究结果表明,攻角的不确定性对于大攻角工况下流动的影响更大。对小攻角条件下的影响主要体现在翼型前缘处,而大攻角条件下的影响还扩展到了翼型中部和尾缘部分。     

非设计攻角下气膜冷却掺混损失模化研究

气膜冷却能够对涡轮叶片表面起到良好的保护作用,但是在非设计状态下,边界层、冷气与主流的相互作用对涡轮气动性能产生不利影响。采用数值模拟的方法,研究了不同来流攻角下冷气的气动参数对掺混损失的影响规律。根据冷气与主流的动能比将主流与冷气的掺混过程分为低吹风比和高吹风比两种典型的模式。当动能比大于1时,掺混损失与动能比存在着线性关系;当动能比小于1时,掺混损失与吹风比存在着线性关系。基于主流与冷气不同的掺混模式并考虑攻角的影响,发展了一种预测非设计攻角下掺混损失的模型进行了初步验证。结果表明,大部分工况下掺混损失的预测结果与数值模拟结果的偏差在10%之内。     

攻角对端壁缝隙泄漏流气膜冷却的影响

本文中的实验在高压涡轮进口导叶平面叶栅中完成,叶栅端壁前缘开有模拟燃烧室涡轮连接处的缝隙。实验中采用GE-E~3高压涡轮进口导叶作为研究对象,缝隙与端壁表面夹角为30°。进口雷诺数(基于叶片轴向弦长和进口气流速度)为3.5×10~5,进口马赫数为0.1,泄漏流流量比为0.5%和2.0%。气膜有效度通过压力敏感漆(Pressure Sensitive Paint,PSP)进行测量。实验结果表明随泄漏流流量比的增加,端壁表面的平均气膜有效度有所增加;当来流攻角从i=+10°变化至i=-10°时,叶片前缘吸力面附近的端壁气膜有效度降低,但在整个端壁表面气膜有效度对攻角变化并不敏感。     

扩压叶栅角区马蹄涡的实验研究

本文给出了用三维激光多普勒测速技术对扩压叶栅叶片前缘马蹄涡的测量结果。实验结果表明：在０°和１０°两种攻角条件下均存在清晰的前缘马蹄涡;二次流的影响使得在靠近端壁壁面的区域实际入口气流角和叶片中径处不同,在不同的攻角条件下这种影响也不同;前缘马蹄涡的存在使得接近前缘的气流方向改变,气流角增大。     

高负荷局部进气涡轮内部流场不均匀性数值研究

以高负荷局部进气涡轮为研究对象,对其进行了数值研究,并着重对该局部进气涡轮内部流场不均匀性进行了分析。结果表明:局部进气涡轮内部流场的流动情况十分复杂,局部进气堵塞段的存在,使其后面对应的动叶栅进出口速度矢量偏向周向,导致该区域叶片流道内形成了大尺度的旋涡结构,降低了流道的通流能力,增大了该区域的损失水平;各级动叶进出口静压沿周向分布极不均匀,从第一级动叶入口至第二级动叶出口,静压周向不均匀性参数分别为:1.5593、1.0179、0.9163和0.1551,不均匀性沿轴向逐渐衰减;处于不同周向位置的叶片表面压力分布差异明显,直接影响了动叶的做功能力。     

带翼型围带涡轮叶栅冲角适应性的实验与数值研究

针对一新型翼型围带结构,通过数值计算验证其相对于全周小翼结构在改善涡轮叶栅气动性能的优势。在此基础上,结合实验与数值模拟分析了带此翼型围带涡轮叶栅的冲角适应能力。结果表明,翼型围带可在全周小翼基础上进一步削弱泄漏涡与通道涡强度,使涡轮叶栅下游流场更为均匀;冲角变化主要影响叶片表面前半部分的静压系数,冲角增加,中径与近叶顶区域的横向压差增大,导致通道涡强度增加;由于冲角变化对泄漏涡生成发展的通道后部区域的静压改变不大,所以泄漏涡对冲角的敏感性不强;基于负冲角可改善涡轮叶栅气动性能的结果,文章最后对多组大负冲角下的叶栅性能做了数值研究,发现冲角小于一定值时,压力面流体分离严重,导致-80°冲角的总压损失甚至高于+10°冲角。     

氦透平膨胀机充气式迷宫密封性能的仿真研究

探究充气式迷宫密封的密封气进气压力与泄漏量的关系,通过数值模拟对氦透平膨胀机的密封结构进行仿真计算,研究在250～700 kPa范围内密封气进气压力变化对密封泄漏量的影响。结果表明：在不接通密封气时,密封泄漏量与压比呈现出线性关系;受密封气对密封气进气口稳压槽内射流抑制作用的影响,泄漏量与密封气进气压力呈现负相关关系;受转子旋转对流体做功的影响,泄漏量为零时的密封气压力高于进口压力。     

逆升压式吊舱涡轮冷却器动力涡轮变工况特性研究

随着现代战机电子战能力的提升,电子吊舱设备发热功率日益增大,采用冲压空气作为冷源的逆升压式电子吊舱环控系统能够为机载吊舱提供充足的冷量。具有膨胀涡轮、动力涡轮、压缩涡轮的涡轮冷却器是逆升压式环控系统的核心部件。针对一种应用于机载电子吊舱的逆升压式空气循环系统进行了关键部件的匹配性能研究,通过改变动力轮进口压力来调节膨胀轮出口温度、压力、流量等参数,实现对环控系统的制冷量的控制,获得动力轮进口压力变化对环控系统性能的影响规律。     

不同攻角下涡轮叶栅边界层分离再附的大涡模拟研究

本文采用三维可压缩N-S方程的大涡模拟方法,对低压涡轮叶栅T106A边界层的演化过程进行研究,分析攻角的变化对吸力面边界层的分离再附位置、分离泡长度等流动现象的影响。基于弦长和出口速度的雷诺数为1.1×10~5,出口马赫数为0.4。研究结果表明:来流攻角为+7.8°时,叶栅表面静压系数、吸力面边界层分离和再附位置与实验结果吻合较好;边界层分离后在三维不稳定性作用下依次形成Λ涡、发卡涡等结构,最终发生转捩;当来流从正攻角向负攻角变化时,吸力面边界层的分离点向下游移动,分离泡长度逐渐减小。