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。     

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.     

冷气喷射对缩放型流道涡轮叶栅性能及流场影响的数值研究

本文利用数值模拟方法详细研究了缩放型流道叶栅中从六个不同轴向位置处以不同的质量流量比喷射冷气对叶栅流场性能的影响,对比分析了能量损失系数、叶表静压分布、流道内马赫数分布等,结果表明冷气喷射对叶栅性能的影响和内伸波的影响是不同的。叶栅性能的变化主要是由于冷气喷射导致叶型损失的变化引起的,当冷气从吸力面内伸波作用位置附近及前缘滞止线附近喷射时,冷气与主流的掺混剧烈且持续到叶栅出口处,使得叶栅损失增加;当冷气从压力面和吸力面喉口位置处射流时,叶栅损失减小。在吸力面内伸波反射点附近射流时,由于冷气的滞止作用使得冷气孔前的压力增大,进而减小内伸波前后压差,减弱内伸波强度。     

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。     

吸力面负曲率的渐缩流道跨音速涡轮叶栅流场与性能研究

为了降低高负荷跨音速涡轮叶片流动损失,本文提出了一种在吸力面无遮盖段存在内凹型线的渐缩流道跨音速涡轮新叶型。新叶型可通过改进常规跨音速涡轮的叶型得到。数值模拟结果表明采用新叶型的平面叶栅与原叶型的相比总压损失系数降低了29.7%。通过分析新叶型的几何特征及其激波、膨胀波与压缩波的特点,揭示了新叶型使损失降低的内部流动机理。新叶型不仅能够减少气动损失,而且能够降低叶片排气的周向不均性,减小对下游叶片排边界层的非定常影响。     

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.     

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。     

涡轮动叶吸力侧单排气膜孔冷却性能研究

本文通过数值模拟的方法,针对涡轮叶片吸力侧的单排气膜孔,研究了无量纲气膜孔出流位置、气膜孔复合角度和冷却空气质量流量占比对其气膜冷却效率与气动掺混损失的影响.结果表明,对于近前缘气膜孔,0.5％的冷却空气质量流量可以在保证较好的气动效率的同时在下游附近提供较高的绝热气膜冷却效率;对于中后部气膜孔,90°的气膜孔导致的掺...     

内围带对轴流式压气机静叶流道气动性能的影响的数值研究

本文介绍轴流式压气机静叶气道简化模型中三元粘性流动的数值计算结果,分析了无内围带时轮毂运动对流动参数的影响,讨论了静叶内围带和压气机喘振性能间的关系。     

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+...     

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.     

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。     

跨音速涡轮静叶上端壁结构对动叶顶部气动换热特性的影响

本文通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和Spalart-Allmaras紊流模型数值研究了跨音速涡轮静叶上端壁结构对动叶顶部气动换热特性的影响。数值预测得到的动叶中径处压力分布与实验数据吻合良好,从而验证了该数值方法的可靠性。本文研究结果表明:静叶上端壁结构对动叶顶部前缘处的流动换热特性有显著影响,对靠近尾缘处的流动换热没有影响;静叶端壁为S型上端壁时叶顶平均换热流密度要低于采用常规端壁,且通流效率高于采用常规端壁;靠近尾缘区域的流动换热特性受间隙内斜激波的影响显著,由于斜激波和叶顶表面边界层的相互作用及斜激波在叶顶表面和端壁面之间的反射,导致靠近尾缘处的叶顶表面存在条状分布的高热流密度区域。     

带冠喷气涡轮叶栅气动性能研究

多种控制技术耦合应用是涡轮叶栅间隙泄漏流动研究的趋势之一。结合围带与喷气两种控制方法,本文通过实验与数值模拟研究了喷气对带冠涡轮叶栅气动性能的影响机理,探讨了测量截面上的损失分布以及叶栅通道内涡系的演变规律。研究发现,与带冠无喷气叶栅相比,喷气改变了泄漏流体的流动方向,使泄漏涡尺寸有所增加。但喷气改善了叶顶附近总压分布,因而0.3%主流流量喷气使叶栅气动性有所提高。喷气可以降低间隙入口流量,且由于喷气量小于减小的间隙入口主流流量,因而带冠叶栅中,喷气使间隙出口流流量减小。     

压气机环形叶栅中应用吸力面翼刀的数值研究

对CDA环形叶栅和6种不同叶展高度安装吸力面翼刀的叶栅三维黏性流场进行了数值模拟,结果表明:各翼刀方案的叶展中部流动状况均较原型叶栅有一定改善,叶栅能量损失系数随翼刀安装位置沿叶展高度的增加先降低后增加。在计算范围内,翼刀安装在叶展高度为20%叶高的方案可使分离线高度显著降低。翼刀涡的形成、发展和变化受翼刀-端壁间气流流动情况和翼刀安装高度的影响,翼刀涡与通道涡的相互作用因翼刀安装高度而异。     

转子偏心对轴流涡轮气动性能的影响

以Aachen 1.5级轴流亚音速实验涡轮为研究对象,采用商用NUMECA软件包对其转子偏心旋转时的流场进行三维定常模拟。研究在大流量工况下,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%时转子偏心对涡轮性能的影响。在经过验证与确认的基础上,对结果进行了分析。研究结果表明:转子偏心会减小涡轮进口流量,其影响程度与偏心距和平均叶顶间隙高度有关,偏心距越大变化幅度越大;转子偏心对涡轮等熵效率和总功率的影响与偏心距和平均叶顶间隙高度有关,转子偏心有可能增大等熵效率和总功率,也有可能减小等熵效率和总功率,但其变化幅度随着偏心距的增加而增大。     

不同形状吸力面翼刀对叶栅二次流及性能的影响

本文以高负荷扩压平面叶栅为研究对象,基于雷诺时均方法进行定常数值计算,探讨吸力面翼刀侧面形状对吸力面二次流结构及气动性能的影响.吸力面翼刀位于25％叶高、33.3％～100％叶片弦长处,侧面形状分别为圆弧形以及倒圆角后的三角形和长方形,与叶片连接处采用融合过渡设计.在-3°,0°和3°三个工况下的分析结果表明:侧面形状...     

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。     

叶顶射流对涡轮流场及气动性能影响

通过对带有前缘气膜冷却的C3X涡轮叶片的传热和气动试验结果进行计算验证,表明所使用计算方法在对带有冷却射流的跨音涡轮压力及温度进行的预测具有较高的精度,在此基础上针对某型发动机低压涡轮,通过CFD数值模拟研究其叶顶冷却射流对叶顶泄漏流及涡轮性能的影响规律,并通过详细分析叶顶流动揭示该规律产生的原因;然后通过改变不同叶顶...     

吸力面小翼对扩压叶栅旋涡结构的影响

本文采用经过实验校核的数值模拟方法对某压气机动叶原始叶型和吸力面叶尖小翼叶型流道旋涡结构进行了详细分析.结果表明,原始叶栅流道中存在四个旋涡,即上通道涡、下通道涡、下集中脱落涡和叶顶泄漏涡。吸力面叶尖小翼的应用使得叶栅流道内的旋涡结构发生了变化,叶尖小翼抑制了叶顶泄漏涡的强度,从而使得上集中脱落涡得以出现,同时还使得叶顶泄漏涡的衍生涡被撕裂成两个衍生涡.正是由于叶尖小翼改变了叶栅流道内的旋涡结构,使叶栅流场的气动性能得到了改善.