透平叶栅非轴对称端壁的设计与优化

采用NURBS曲面造型方法,在轴对称端壁上叠加径向高度变化量构造非轴对称端壁。采用最优拉丁超立方设计的方法,经过两轮实验设计,寻求性能较优的设计方案。结果分析表明:基于最优拉丁超立方的实验设计方法,定向搜寻透平叶栅的非轴对称端壁优化设计方案,是可行的。与圆柱端壁相比,优化后涡轮叶栅通道出口面积平均二次流动能减小5.48%,总压损失系数减小了1.63%,端壁换热状况局部有改善。非轴对称端壁通过改变端壁的静压分布削弱了涡轮叶栅通道中马蹄涡、通道涡的强度。非轴对称端壁使通道内靠近进口段和出口段端壁换热被削弱,尾迹区换热有所增强。     

顺–逆向组合气膜孔在涡轮导叶端壁上的应用研究

本文利用经过试验数据验证的RANS方法，针对高压涡轮导向器端壁双排气膜冷却结构，研究了顺向以及不同顺/逆向组合气膜孔下的端壁流动和气膜冷却特性，探索了逆向孔在涡轮端壁上应用的可行性。结果表明：端壁周向整排逆向孔出流与主流的强烈掺混增强了马蹄涡和通道涡强度并降低了冷气动量，使冷气无法到达下游区域；逆向孔布置在中部近吸力侧的顺/逆向组合方案对端壁涡系影响较小，可使端壁上游冷效明显增加且下游冷效降低较少；逆向孔角度减小，冷效增加，但提升幅度有限；本文提出的顺/逆向组合孔在MFR=1～3的范围内，明显改善了顺向孔对端壁上游冷却有限的问题，使端壁65%轴向弦长之前区域气膜冷效明显提升，且对尾缘冷效的影响较小。     

基于水滴型前缘修型的超高负荷低压涡轮流动调控机理研究

本文以某超高负荷低压涡轮叶栅(载荷系数Zweifel=1.57)为研究对象,借助经过实验数据校核的高精度数值方法,采用拉丁超立方分层抽样技术参数化探究了不同水滴型弧状前缘几何对端区流动损失的影响。在此基础上,明晰了前缘修型结构引入前后端区流动特征及流动损失变化机理,对比了叶栅端区涡系结构尺度。研究表明：优选水滴型弧状前缘修型结构削弱了前缘马蹄涡强度,重构了超高负荷低压涡轮叶栅的端区涡系结构,使得栅后总压损失系数降低4.11%。研究结果为超高负荷低压涡轮端区流动控制技术的发展提供了理论支撑。     

燃气透平叶栅端壁传热特性的数值研究

采用三维数值求解方法,对透平叶栅端壁区域的流动和传热特性进行了研究.利用试验数据考核了相应的数值方法,分析了网格数目和湍流模型对叶栅端壁附近流动传热特性计算的影响,比较了不同进口雷诺数和湍流度条件下端壁传热特性的变化。结果表明;马蹄涡和通道涡等二次流动直接影响端壁区传热,传热强度分布规律基本与当地流动的湍动能保持一致。湍流模型对端壁压力场的计算影响较小,但对端壁传热特性的求解的精度影响较大。采用v~3—f湍流模型能较好地预测端壁传热分布。来流雷诺数和湍流度的变化改变了端壁边界层厚度和涡系结构,使得端壁传热强度和梯度分布发生变化。     

超高负荷涡轮叶栅内的旋涡结构分析

通过对叶型转折角为160°的超高负荷平面涡轮叶栅内部的流场细节进行数值模拟,将数值模拟结果与流场流线拓扑分析理论相结合,对叶栅内的复杂旋涡结构进行定性分析,详述超高负荷平面涡轮叶栅内马蹄涡、通道涡、壁角涡、尾缘涡和端壁二次涡等涡系的产生、发展和演化过程,以及它们之间的相互作用关系;在此基础上,通过总压损失系数分布和出口截面涡量分布给出定量分析。     

非轴对称端壁改善涡轮叶栅流场研究

以Pack B涡轮平面叶栅为研究对象,采用非轴对称端壁造型方法,以减少涡轮叶栅总压损失为优化目标,进行了涡轮叶栅的非轴对称端壁优化设计,优化后的总压损失减小了11.83%。通过对叶栅的下端壁以及上下端壁进行非轴对称造型并与原型光壁模型进行全叶高流场对比分析表明:非轴对称造型对几乎全叶高的总压损失分布产生影响,大幅减小了20%和80%叶高附近的总压损失,对气流角和下游涡强度的影响局限在近造型壁面侧的30%叶高内。     

端壁错位对端壁泄漏流冷却的影响研究

本文采用数值方法针对燃气涡轮端壁因实际运行过程中部件热膨胀所造成的端壁错位进行了研究,详细分析了不同端壁错位形式下端壁上游槽缝泄漏流和槽缝/间隙泄漏流共同作用下的冷却分布规律。结果表明,端壁错位会改变端壁附近的流动结构,进而影响端壁表面泄漏流冷却的分布特性;在不同的端壁错位形式下,通道间隙泄漏流基本不会影响上游槽缝泄漏流的冷却分布;对上游槽缝泄漏流冷却有强化作用的端壁错位形式反而有可能会对端壁下游的间隙泄漏流冷却带来不利影响。     

扩压叶栅端壁角区流动结构和紊流特性

三维激光多普勒测速技术测量了扩压叶栅叶片和端壁相交的角区中的流动结构和紊流特性。实验结果表明,角区中端壁附面层和叶面附面层的堆积使得叶面附面层变厚;角区内存在较强的通道涡,随流动向下游发展,通道涡核心远离叶面;在前缘产生的马蹄涡逐步消失;通道涡使得角区的紊流动能增加,并影响雷诺正应力的分布。     

封严腔几何特征对涡轮性能的影响

在涡轮转静叶片排之间喷入冷气可以阻止高温燃气进入盘腔,但是冷气与主流的掺混损失对涡轮气动性能不利。本文采用数值计算的方法,研究了转静叶片排之间封严腔轴向位置和轴向间隙的变化对涡轮性能和端区流动的影响。结果表明,封严出流与主流的剪切作用形成了诱导涡,诱导涡随后发展成为通道涡并占据了端区二次流的主导地位。封严腔轴向位置和轴向间隙的改变使等熵效率和封严效率产生了相反的变化,因此在设计时要兼顾气动性能和冷却要求进行综合考虑。     

端壁与叶片表面静压分布对叶栅气动特性影响的实验研究

气流绕流矩形叶栅时形成马蹄涡、通道涡等复杂涡系。这些旋涡不仅引起能量消散,而且在叶片与端壁组成的角隅里产生分离流。旋涡的形成与附面层的发展有关,决定附面层发展的关键是端壁和叶片表面上的静压分布。本文在不同冲角和叶片倾斜角下测得了不同的端壁和叶片表面静压分布及相应的出口流场,从而找到对应能量损失最小的静压分布。     

单转子压气机设计状态和近失速状态出口三维紊流流场

用单斜丝详细测量了单转子压气机设计状态和近失速状态转子出口的三维素流流场。结果表明，设计状态叶尖泄漏涡和端壁附面层的掺混是造成尖部流动损失、气流阻塞和亲流脉动的主要原因。近失速状态流动三维性和非定常性较强；尖部吸力面角区轴向速度最低、相对动能损失最大；吸力面附面层径向潜移、叶尖吸力面角区低能团周向潜移及其输运的低能物质在尖部通道中部与叶尖泄漏流、泄漏涡、刮削涡发生掺混，造成尖部大范围的高损失区；根部和尖部吸力面阻面层局部发生分离。     

扩压叶栅端壁角区流向涡对湍流特性的影响

本文用三维激光多普勒测速技术测量了平面扩压叶栅的叶片吸力面角区流动湍流特性，如紊流动能分布、雷诺应力分布等．分析了角区内流向涡和通道涡对湍流特性分布的影响，结果表明：流向涡的核心区域及旋涡与附面层相互作用区域的湍流动能增加．同时，旋涡和旋涡运动强烈影响着雷诺正应力和切应力的分布规律．     

近失速状态轴流压气机转子内尖区三维流动结构

用激光测速系统测量了低速大尺寸单级压气机近失速状态转子内尖区三维流场。结果表明泄漏流在转子进口开始产生,泄漏涡约在１０％弦长最强,并迅速向压力面和低叶高方向移动,沿程造成高紊流和高阻滞。叶尖吸力面附面层发生分离,迫使角区低能物质和旋涡在下游逐渐向通道中部移动,造成转子出口尖部通道中部大面积流动阻塞和紊流脉动。角区旋涡及泄漏涡影响区域紊流强度较高,其中径向分量最高,远大于轴向和切向分量。前缘马蹄涡压力面分支存在于转子进口叶尖压力面角区,并迅速向低叶高和通道中部移动,约在２０％弦长和泄漏涡交汇。     

轴流压气机转子叶尖泄漏涡和尾迹在静子尖区的传播

用三维激光多普勒测速系统测量了轴流压气机设计状态转子叶尖泄漏涡和尾迹在静子尖区的传播过程。结果表明,转子叶尖泄漏涡和转子尾迹周期地扫过静子通道尖区,导致该区出现周期性的流动阻塞和脉动。转子尾迹在静子通道内追赶上从前一转子叶片通道内下来的叶尖泄漏涡,二者的相互作用和掺混导致静子尖区更为复杂的二次流动。同转子尾迹相比,转子叶尖泄漏涡对静子尖区的影响更为明显和深远。静叶尾部吸力面出现流动分离,分离流同低能物质之间发生相互作用和掺混。     

压气机转子三维紊流流场

在低速大尺寸压气机试验台上，用单斜热丝、高频压力探针及由旋转四坐标全电动探针位移机构带动的五孔气动探针，测量了单级压气机转子出口和单转子压气机叶片通道尖区在不同流量状态下三维平均和亲流流场。设计状态，叶尖泄漏涡的发展及其与端壁附面层的交混决定了尖区的流动特性。小流量状态，叶片吸力面附面层增厚，近失速状态尖部吸力面附面层发生分离，吸力而附面层内径向潜移强烈，叶尖吸力面角区产生大范围强旋涡，角区部分低能流体移向叶尖通道中部，与端壁附面层、泄漏涡、刮削涡及主流发生交混．     

轴流压气机小流量状态转子叶尖泄漏涡的三维流动

用三维激光多普勒测速系统测量了低速大尺寸单级压气机小流量状态转子内尖区三维紊流流场。小流量状态下叶尖泄漏涡产生于更靠近转子叶片前缘,旋涡强度大,发展迅速,在转子内距离前缘约２０％轴向弦长的截面达到最强,在８０％轴向弦长附近发生破裂。泄漏涡是造成转子内尖区流动阻塞和紊流脉动的主要因素之一。在约７５％弦长的轴向截面,吸力面角区发生旋涡流动,造成较强的流动阻塞和紊流脉动。     

前缘弯掠斜流转子叶顶间隙流动特性数值分析

本文对前缘弯掠斜流转子叶顶间隙内的流动特性进行了数值分析。结果表明:叶顶间隙气流与主流发生卷吸而生成泄漏涡。泄漏涡作用的区域具有较低的压力分布。在叶片通道内,泄漏涡沿着与转子旋向相反的方向朝相邻叶片的压力面移动。大间隙时的泄漏涡比小间隙时强烈。低流量时泄漏涡的作用区域比高流量时大。在各种流量特性下,叶顶尾缘近吸力面区域都存在着二次间隙流。     

端壁边界层抽吸技术在汽轮机调节级静叶栅中的应用

提出一种在调节级静叶栅叶片吸力面侧端壁处抽吸低能流体至轴封漏汽腔室,以降低静叶栅二次流损失的方法。采用三维稳态时均Ｎ－Ｓ方程组的有限容积差分法数值求解技术,对不考虑栅后漏汽工况、存在吸力面侧端壁抽吸工况及存在栅后蒸汽泄漏工况下的二次流的发展进行了模拟。计算结果表明,所提出的方法可以有效地提高静叶栅效率。     

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。