1+1/2对转涡轮中激波结构的数值研究

本文对1 1／2对转涡轮中激波及激波／叶排干扰等进行了详细的数值模拟。分析发现,1 1／2对转涡轮高压动叶流道中压缩波系与常规涡轮流道中的压缩波系存在明显的不同。1 1／2对转涡轮高压动叶吸力面60％轴向弦长处产生了一组压缩波,它与内伸波相交。在常规涡轮中,这组压缩波将不会出现;内伸波在吸力面的反射波很强,不能忽略。在常规涡轮中,内伸波的反射波可以忽略。由于尾迹及低压动叶的作用,高压动叶外伸波的影响范围和强度呈现周期性的变化。     

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。     

变工况下缩放型流道涡轮动叶中激波对吸力面气膜冷却的影响

为了研究涡轮缩放型流道动叶中尾缘燕尾型激波与叶片吸力面相互作用对气膜冷却的影响,本文对不同转速和不同吹风比下无导叶对转涡轮高压动叶吸力面上激波与二次流对冷却流动及壁面静温的影响进行了数值研究。冷却孔位于高压动叶吸力面约30%轴向弦长处,沿叶高均布。共模拟了三种转速(高压动叶),分别为5460r/min、6970r/min和7800r/min;在每个转速下分别模拟了两种不同冷却气流进口速度,分别为10m/s和20m/s。从模拟结果可见,高压动叶吸力面上静温过激波作用位置后会有明显的上升,且在不同工况和不同冷却条件下静温升的大小存在差异。在高压动叶吸力面两端,冷却效果下降明显,二次流成为影响气膜冷却的主导因素,尤其是在叶片顶部。     

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.     

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对转涡轮高压动叶气膜冷却数值研究

对1 1/2对转涡轮高压动叶设计了冷却方案,在高压动叶前缘滞止线,压力面和吸力面分别开设了冷却孔,并对冷却方案进行了三维数值模拟.为了研究变工况下,高压动叶气膜冷却性能,对三种典型的工况进行了详细的数值模拟.研究了不同转速对高压动叶前缘冷却效果的影响,以及吹风比对高压动叶前缘气膜冷却效果的影响;给出了前缘、压力面、吸力面冷气射流的流动特征;分析了冷气喷射对高压动叶型面马赫数,型面压力的影响.最后探讨了高压动叶吸力面后部70%轴向弦长处冷气喷射对高压动叶通道内波系结构的影响.     

无导叶对转涡轮进口热斑迁移特性分析

为了揭示1 1/2(无低压导叶)对转涡轮进口热斑的迁移特性,运用三维非定常粘性流场计算程序对某1 l/2对转涡轮模型级在不同进口温度分布条件下的流场进行了数值模拟.结果表明,热斑在高压导叶中未发生周向和展向迁移;当进口热斑位于高压导叶流道中间时,高压动叶的热负荷加重;当进口热斑正对高压导叶前缘时,与进口热斑位于高压导叶流道中间方案相比,加重了高压导叶热负荷,但减轻了高压动叶热负荷;综合比较来看,进口热斑正对高压导叶前缘对涡轮冷却设计有利;冷热流体间的滑移速度、二次流效应和浮力效应是影响热斑迁移特性的主要因素;热斑在动叶中的迁移方向主要与冷热流体间滑移速度的方向有关,而与进口热斑相对第一级导叶的位置无关;在高压动叶中,二次流和浮力的作用效果均很明显;在低压动叶中,流体的迁移扩散行为主要受二次流控制,浮力基本不起作用.     

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.     

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。     

无导叶对转涡轮三维流场的非定常数值模拟

为了揭示1 1／2(无低压导叶)对转涡轮流场的非定常流动特性,运用全三维粘性流场计算程序对某1 1／2对转涡轮模型级的流场进行了非定常数值模拟。结果表明,非定常计算可以获得比定常计算更为丰富的流场信息;非定常效应具有逐级累积的趋势;高压导叶压力面叶表静压展向分布比吸力面均匀;高低压动叶压力面和吸力面叶表静压的展向分布不均匀;高压动叶的负荷随叶高的增加而增大;高低压动叶出口气流角沿整个叶展均较大地偏离轴向,说明高低压涡轮的功负荷较高,在出功量上达到了设计目标。     

流道缩扩比对1+1/2对转涡轮高压动叶性能影响的研究

本文以1+1/2对转涡轮为背景,采用理论分析与数值模拟相结合的方法对某1+1/2对转涡轮高压动叶进行了优化设计.研究结果表明,流道缩扩比对高出口马赫数涡轮叶栅性能有重要影响,合理的流道缩扩比能减弱甚至消除尾缘内伸波,从而提升叶栅的性能.文中综合考虑了叶栅流道周向以及径向两个方向的扩张因素后选择了叶栅流道缩扩比,进行1+...     

非设计工况下1＋1／2对转涡轮性能研究

为了研究和改善1 1/2对转涡轮性能,本文对1 1/2对转涡轮两种转速下不同落压比共16种工况进行了数值研究,并与实验结果进行了对照.结果表明近设计工况下计算结果和实验值吻合较好.1 1/2对转涡轮出口背压对高压转子性能影响较小,对低压转子性能影响较大,这导致变工况下1 1/2对转涡轮高低压轴出功比变化较大.通过对某典型非设计工况和设计工况下的流场结构的分析发现非设计工况下1 1/2对转涡轮高压动叶中发生了明显的流动分离.高低压动叶不能很好地匹配,需要采取合理的流动控制措施去改善已有1 1/2对转涡轮的变工况性能.     

关于1+1/2对转涡轮的基本分析和初步设计

１＋１／２（无低压导叶）对转涡轮是高性能军用发动机迫切需要的关键技术之一。本文针对该类对转涡轮展开基本分析,并以某型发动机为目标进行了 １＋１／２对转涡轮试验件的初步设计。研究表明 １＋１／２对转涡轮总效率更多由第一级决定,第二级效率一般较高;高低压轴出功比和第一级涡轮的负荷水平是表征此类涡轮设计难易程度的关键参数。     

1+1/2对转涡轮应用中的关键技术问题

本文对1+1/2对转涡轮应用的关键技术问题进行了探讨。分析表明,出功比SWR是衡量1+1/2对转涡轮技术 难度的特征参数。增加高压转叶出口气流角和马赫数是降低出功比的两条现实途径。关于高压转叶与低压转叶非定常作用 的分析和理解将是1+1/2对转涡轮成功的关键。