涡轮转速对无导叶对转涡轮流动特性的影响

为了探究无导叶对转涡轮在不同涡轮转速下的流动特性,运用CFD方法对某无导叶对转涡轮模型级的流场进行了三维定常多叶片排的数值模拟.结果表明,涡轮转速的变化对无导叶对转涡轮的喉部位置基本没有影响;随涡轮转速的升高,高压动叶内的激波损失增大,低压动叶内的激波损失减小,源生于低压动叶吸力面上的激波沿吸力面向尾缘移动;对于远离设计点的非设计工况,流动分离损失及低压动叶中的激波损失构成了对转涡轮损失中的主体;涡轮转速的变化对高低压动叶出口气流角及高压动叶出口马赫数的影响作用较大;高低压涡轮出功比、对转涡轮的总功率及等熵效率均随涡轮转速的增大而增大.     

可调导叶向心涡轮转子叶片压力波动激励机制

论文以实际应用中出现破裂的向心涡轮为研究对象,研究导流叶片尾缘激波、导流叶片叶尖间隙泄漏流动以及导流叶片尾迹对转子叶片表面压力波动的干涉作用,定性确定这三种因素在转子叶片表面压力波动中所占比重大小,发现激波和导流叶片叶尖间隙泄漏流动所诱导的转子叶片压力波动位置。结果表明,激波和导流叶片叶尖间隙泄漏流动是导致转子叶片表面压力波动的主要因素;受向心涡轮叶轮进口形状的影响,激波只是和转子叶片前缘附近的吸力面发生作用,导流叶片开度减小,激波强度增大,转子叶片压力波动幅值明显增大;导流叶片叶尖和叶根间隙泄漏流动会导致转子叶片吸力面叶尖和叶根的压力波动明显增大,是转子叶片前缘叶尖发生高周疲劳的主要原因.     

轴流风扇叶片端导叶作用的研究

本文采用数值方法研究了叶片端导叶对轴流风扇性能的影响。通过与普通开式轴流风扇比较,分析了叶片端导叶对内部流动作用的机理.数值计算结果表明:叶片端导叶的安装位置将影响轴流风扇气动效率,安装叶片端导叶不能提高风扇静压升,但是在压力面安装时能有效地减小风扇叶顶泄漏流与主流的掺混损失;在设计流量下,压力面安装叶片端导叶使泄漏涡的作用范围较小,涡核更靠近吸力面;吸力面安装叶片端导叶弱化了泄漏涡的强度但没有减小泄漏涡的作用范围。     

正弦锯齿尾缘对轴流风机尾迹及气动性能的影响

轴流风机尾缘涡脱落是产生噪声的重要因素,为改善尾迹流动来降低风机噪声,通过在轴流风机尾缘添加一种正弦形锯齿结构,采用定常及非定常数值模拟的手段结合实验验证的方式,分析其对轴流风机尾迹和气动性能的影响。研究结果显示,正弦锯齿结构削弱了叶片尾缘做功能力,使得风机全压降低,但提升了中小流量工况下风机效率;并能减弱叶片中部以下位置的尾迹强度,且对尾迹的抑制作用从叶片部底到中部逐渐减弱;以增加转速的方式补偿锯齿结构引起的压损,对原型风机和提升转速后的尾缘锯齿结构风机在设计流量点进行噪声数值预测分析,结果显示低频段噪声比原型机有明显改善,表明这种尾缘正弦形锯齿结构一定程度上是一种抑制轴流风机低频噪声的有效途径。     

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。     

两种透平叶栅三维流动的计算分析

本文以数值手段分析研究两种不同叶片造型的三维环形叶棚内的定常粘性流动及损失情况，数值方法采用三维可压缩粘性流动压力校正其法求解N－S方程及k－ε双方程湍流模型．新一代透平叶片型线设计与传统叶片型线的差别在于叶片型线的后部加载特性．本文通过计算分析了这种后加载叶片与传统加教叶片应用于汽轮机时对控制三级叶栅损失与二次流发展的作用．     

跨音轴流压气机转子叶尖喷气扩稳机理分析

对跨音压气机Rotor35进行了多通道全三维定常/非定常叶顶喷气数值模拟。数值计算所获得实壁机匣总性能与试验结果符合良好。计算表明使用3.6%转子堵塞流量的叶顶喷气量可以获得21.4%的扩稳效果。定常计算结果显示叶顶喷气重点影响0.9叶展以上区域,使得该区域进气攻角和扩散因子减小,从而降低叶顶载荷,减小了由激波和泄漏涡相互作用形成的通道堵塞。非定常计算结果显示,叶尖喷气的扩稳效果来自两方面:一是对某一叶片叶顶的卸载作用;二是对激波/泄漏涡干扰形成的低能区重新注入轴向动量。后者对通道流通的改善作用大于前者。非常高的喷射频率使得叶顶喷气能够抑制每个通道中低速区的进一步增长,从而实现了对压气机的扩稳。     

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.     

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.     

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。     

悬臂静子叶栅与高速运动轮毂间隙流研究

悬臂静叶结构可以减轻压气机的重量并降低轴向长度，但在高速运动轮毂作用下其叶根泄漏流细节尚不明确。本文采用经过实验数据校准的数值模拟方法探究了高速运动轮毂情况下不同间隙对于悬臂静叶性能和泄漏流场细节的影响。结果表明，当间隙增大时，悬臂静叶总压损失呈非线性增大，近轮毂处叶片载荷峰值先增大后减小且其位置向尾缘方向移动。泄漏流轨迹呈现三区分布，间隙增大使得通道70%轴向弦长后的高湍动能区在周向和径向范围更大。     

旋转冲压压缩转子激波/附面层/泄漏流干扰研究

为分析附面层和泄漏流对旋转冲压压缩转子内激波结构的影响,开展了旋转冲压压缩转子内部流场的数值研究,并从激波形成与变化的角度分析激波与附面层,激波与泄漏流的相互作用。研究表明,S_2流面激波与轮毂附面层、S_1流面激波与隔板尾缘低速分离流体团相互作用能够改变激波的结构形态、作用位置,压比升高时低速团的影响范围增大。S_1流面激波在泄漏涡的作用位置处发生偏折,与无间隙时相比,有间隙时旋转冲压压缩转子在喉部及以后流道内更易形成激波串。     

某跨音风扇转子全三维设计与数值模拟

本文采用与三维流场分析程序相匹配的任意叶轮机通用叶片造型程序,进行某单级高通流、跨音、宽弦长风扇转子设计。在设计过程中,通过调整转子进口流量、出口总压、叶片最大相对厚度和前后缘厚度等参数沿径向的分布,弯度和最大弯度位置沿弦向的分布,从设计上减弱了叶片上部的激波强度、降低了激波及其关联的损失,克服了该转子叶尖高相对马赫数和低损失、高效率的矛盾。最终获得满足气动性能和结构强度的风扇转子.     

导叶展弦比对部分进气涡轮性能影响的数值研究

本文针对导叶展弦比对部分进气涡轮性能的影响进行了数值研究。结果表明:转子前缘靠近导叶吸力面边界处流动发生分离形成分离涡,使得损失增加;展弦比增加能增加进气区转子前缘靠近导叶吸力面处主流速度,进而降低分离涡强度并降低部分进气效应对进气区中心区域流动的影响,改善进气扇区中心区域流动,从而减少损失提升效率。与此相反,叶高、稠度不变时展弦比增加使得叶片数增加,叶型损失增加,且进气度越大,叶型损失增加量越大。当进气度小于50%时,进气扇区较小,展弦比增加诱发的分离涡强度降低的作用效果明显强于叶片数增加的影响,二者的综合作用使得涡轮效率得到提升;当进气度大于50%以后,分离涡对进气扇区中心区域的影响降低,分离涡强度的降低仅能改善进气区边界靠近导叶吸力面处的流动状态,但此时叶片数增加导致的叶型损失会显著增加,二者的综合作用导致涡轮效率提升的幅度降低。     

尾缘凹陷轴流风轮内流特性分析与降噪研究

为减少空调室外机用低压轴流风轮叶片的颤振,改善音质,降低噪音和电机功率。本文设计了尾缘凹陷新型三叶轴流风轮,同时除对前缘局部加厚处理外,对叶片其他区域整体减薄。文中采用Navier-Stokes方程对新风轮和原风轮的内流及气动特性进行了三维数值模拟,同时对两者的流量压力曲线和噪音频谱进行了实验研究。研究表明:对轴流风轮叶片尾缘进行凹陷设计,对前缘以外的区域减薄设计,能够减轻风轮重量,降低电机负荷同时减弱转子尾迹;对叶轮前缘进行局部加厚处理可以减小叶尖颤振,降低叶片旋转频率峰值噪音,从整体上降低噪音,改善音质。     

1+1/2对转涡轮高压动叶叶顶间隙变化规律及影响作用

为阐明1+1/2对转涡轮高压动叶叶顶间隙高度在变工况时的变化规律,以涡轮流场和高压动叶为整体进行气热双向耦合计算,根据所得温度场对叶片进行热弹单向耦合计算,获取了叶片形变量。不同于常规亚音速涡轮动叶的间隙变化规律,1+1/2对转涡轮高压动叶在较高转速和膨胀比的工况范围内,随着膨胀比降低,前缘间隙高度保持不变,而尾缘间隙高度以二次曲线规律减小。这是由于该工况范围内高压动叶流场展向全超音堵塞,喉道上游流场不受膨胀比变化影响,下游流场的温度随膨胀比减小而升高。相应地,叶片喉道前部温度不变、后部温度升高,导致前缘叶高不变、尾缘因热膨胀伸长。为避免尾缘间隙减小引起碰磨,根据叶片尾缘形变特点增大了设计点的尾缘间隙高度,导致设计工况时叶片后部间隙泄漏流射流速度增大、剪切作用增强,泄漏流流量和损失增加。为保证工作安全的同时提高涡轮效率,有必要发展前、尾缘叶顶间隙独立控制方法,使变工况时前、尾缘的叶顶间隙高度皆在合理范围内。     

跨音速离心叶轮叶尖区域流动的数值分析

本文以压比为6.1的跨音速离心叶轮为研究对象,采用定常和非定常数值模拟分析了叶尖区域激波与泄漏涡的相互作用和泄漏涡的非定常特征。随着流量减小,激波与泄漏涡的相互作用增强,最终导致泄漏涡破裂。小流量下泄漏涡的破裂引起叶片载荷的变化,叶片载荷的变化反过来影响泄漏涡的强弱,如此形成一个非定常循环过程。单通道模拟得出非定常流动的频率为0.668 BPF,双通道和三通道模拟得到的频率则为0.88 BPF。但三种模型得出的非定常机理相同。     

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.     

加载形式对涡轮叶尖泄漏损失的影响

本文通过改变90%叶高截面叶型的安装角和厚度分布获得了不同的加载形式,并采用数值模拟方法对比分析了加载形式对叶尖泄漏流动和损失的影响。结果表明,叶尖加载形式影响了泄漏流的流量和法向/流向速度差沿轴向的分布,进而影响泄漏流动损失。随着叶尖负荷向前缘移动,叶尖泄漏总流量增大,当泄漏量和动量差沿轴向分布相对均匀,当地峰值减小,叶中附近所占比重增加;在泄漏量与动量差共同作用下,泄漏涡卷起位置向上游移动,但与主流掺混强度减弱,损失减小;采用均匀加载和前加载形式能有效降低泄漏流与主流的动量差,减小泄漏损失,提高涡轮性能。