汽轮机动叶栅顶部泄漏流的数值分析

为研究围带对汽轮机叶顶间隙泄漏流的影响,以某汽轮机级为研究对象,采用?-?SST湍流模型、结构化网格,对无围带及有围带动叶顶部的间隙泄漏流动进行数值模拟,分析间隙流和泄漏涡的形成、发展及其对汽轮机性能的影响。结果表明,无围带时,叶顶间隙泄漏流在叶顶前缘形成顺时针的漩涡,在吸力面附近和尾缘出口形成顺时针的泄漏涡;沿着轴向流动距离的增加,泄漏涡的影响范围逐渐变大。有围带时,叶顶间隙泄漏流在叶顶尾缘附近形成逆时针的泄漏涡。但无论有无围带,与泄漏涡对应的通道涡的旋向都和泄漏涡相反。随着叶顶部间隙的增加,有围带和无围带时的泄漏涡强度都变大,总压损失系数都增加。当叶顶间隙相同时,靠近叶顶处约80%叶高以上的区域内,有围带叶栅出口截面上的总压损失系数均小于无围带叶栅出口截面上相应位置的总压损失系数。     

叶顶汽封径向和轴向间隙对汽轮机泄漏量及主轴位移的影响

通过对某化工厂汽轮机的叶顶汽封和主轴轴位移故障的分析,发现当漏气量增加到一定程度后会加快推力轴承的磨损,从而引起汽轮机轴位移逐渐增加,这表明汽封的损坏不仅引起泄漏增加还会导致主轴位移增加。采用FLUENT软件对叶顶汽封的流场进行数值模拟,研究汽轮机叶顶汽封的径向间隙和轴向间隙对汽轮机泄漏量及汽轮机主轴位移的影响,提出合理的工作间隙。研究发现:汽轮机叶顶汽封径向间隙是影响泄漏的重要因素,径向间隙增大将导致蒸汽泄漏量增大,汽轮机轴向推力增加,从而导致主轴位移增加;在总长度一定时,轴向间隙值对蒸汽泄漏量没有明显影响,但增加轴向间隙可以使进入汽封的蒸汽压力更加稳定。考虑到叶顶汽封的装配和热膨胀问题,对所研究的叶顶汽封提出了径向间隙为0.65 mm,轴向间隙为3.5 mm的修复方案,通过实践证明该方案现场修复是成功的。     

汽封对汽轮机通流气动性能影响的数值研究

研究了迷宫汽封和蜂窝汽封在不同径向间隙下的流动情况,计算结果显示:随着汽封径向间隙尺寸的增加,在蜂窝汽封和迷宫汽封的情况下,级效率逐渐降低,轴向推力逐渐减小,叶顶汽封泄漏量逐渐增加。在小间隙范围内,蜂窝汽封的气动性能优于迷宫汽封。     

燃气轮机透平喷嘴迷宫式汽封泄漏流动特性研究

采用CFD软件对某燃气轮机喷嘴内围带迷宫式汽封进行了三维流动特性数值模拟,详细分析了汽封内部流场结构和汽封泄漏量特性的变化。结果表明,在汽封室内流动是具有复杂涡系结构的湍流流动,在相同的汽封尺寸参数下,汽封泄漏量随着压比的增加而增大,在相同的压比下,汽封泄漏量随着汽封齿长度的增加而减小、随着汽封齿宽度的增加而增大。     

汽轮机叶顶间隙汽封内泄漏流动的数值研究

采用计算流体动力学软件分析某汽轮机高压级叶顶汽封内的泄漏流动特性及泄漏流在级后与主流的掺混过程,并比较有无汽封情况下间隙流场的气动性能。结果表明:汽封间隙内充满复杂的涡运动,使泄漏流的动能得到充分的耗散,且齿数增加可使耗散更加充分;增加叶顶汽封装置可有效降低级后间隙泄漏流与主流的掺混损失,增加汽封齿数能够在一定程度上削弱级后掺混带来的流动影响。     

汽轮机通流部分汽封的改进

依据冲动式汽轮机单个级内叶顶汽封和叶根汽封工作特性以及漏汽量的相关技术文献,分析了级内间隙变化对效率的影响程度。并依据分析结果,对通流部分汽封重新设计,轴向为开式结构,叶顶采用梳齿结构,叶根部位采用径向环形结构,放大轴向间隙,保持较小的径向间隙。既增加了级效率,又简化了结构,缩短了生产周期。     

叶顶间隙对轴流风机内部流场影响的研究

基于Realizable k-ε湍流模型和 SIMPLE 算法,对某轴流式通风机在不同叶顶间隙下进行了设计工况时的数值模拟.讨论了不同叶顶间隙大小对风机性能的影响,分析了叶轮出口截面速度、压力等参数的分布以及叶顶泄漏流和泄漏涡随间隙大小的变化情况.数值结果表明,随叶顶间隙逐渐增大,风机性能不断下降;叶轮出口截面速度、总压和湍动能大小受间隙泄漏流的影响明显;泄漏涡由泄漏流与主流发生卷吸而形成,且泄漏涡会受到间隙大小的影响.     

自激振荡剪切层涡流演变研究及热流道设计

流体边界层的运动特性对管道能量交换系数变化有重要影响,基于时均分部对自激振荡腔室进行划分,分析脉冲射流剪切层中边界层的流速变化.以流体流速和努塞尔数表示壁面换热性能,并分析了自激振荡腔室出流管道剪切涡流演变规律.结合自激振荡腔室有限元模型,采用大涡模拟数值方法,分析截切层涡流的演变及其对换热的影响.计算得到不同自振腔出口管长与自振腔腔长的比值下热流道的边界层近壁面流速与努塞尔数.研究结果表明:剪切层射流在与壁面碰撞后生成回流涡,继续沿管道向下运动,并在下游管道继续运动过程中多次重复这一过程,破环边界层,在维持大尺度拟序涡结构的涡核稳定的基础下加强了管道换热效果;随着自振腔出口管长与自振腔腔长的比值的增大,壁面湍流的强度先增大后减小,当比值大于1.6 时,湍流强度明显开始减小,比值在1.2～1.6 范围内综合性能系数可提高12％～35.5％.     

轴流前弯叶轮叶顶流场特征分析

针对不同化工用前弯叶片的轴流通风机,在额定工况处数值模拟了三维粘性流场以及利用粒子图像测速仪PIV试验测量了叶顶流场。在数值结果与测量结果相吻合的前提下,分析了叶轮近上端壁面极限流线、叶顶轴向速度大小分布以及不同前弯角度叶片对叶顶泄漏流在发展阶段的影响。结果展示了叶顶流场的基本特征-叶顶泄漏涡的初始段和发展段;揭示了叶顶泄漏涡是叶顶流动阻塞的最主要原因之一;叶片前弯角度与叶顶泄漏涡稳定度之间的非线性变化;在泄漏涡发展阶段,涡度随叶片前弯角度之间"先增强后减弱"的变化规律。     

对旋轴流风机叶顶间隙对其性能的影响

为了探究改变对旋轴流风机两级叶轮的叶顶间隙对其性能的影响，建立不同叶顶间隙下风机三维模型，利用Fluent进行数值模拟，并结合风机性能试验验证仿真的正确性。分析压升、效率、轴功率、湍流动能和叶顶泄漏涡随两级叶轮叶顶间隙的变化情况，结果表明：在相同流量下，压升、效率随间隙的增大而减小；与第一级叶轮相比，间隙对第二级叶轮的轴功率、湍流动能及泄漏涡影响更加显著；随间隙增大，叶顶泄漏涡的强度和影响区域越大。     

Effect of honeycomb seals on loss characteristics in shroud cavities of an axial turbine

The loss in efficiency due to shroud leakage or tip clearance flow accounts for a substantial part of the overall losses in turbomachinery.It is important to identify the leakage loss characteristics in order to optimize turbomachinery.At present,little information is available in the open literature concerning the effect of honeycomb seals on the loss characteristics in shroud cavities of an axial turbine,despite of the widespread use of the honeycomb seals.Therefore,interaction between rotor labyrinth seal leakage flow with and without honeycomb facings and main flow is investigated to provide the loss characteristics of the mixing process of the re-entering leakage flow into the main flow.The effects of honeycomb seals on the flow in shroud cavities and interaction with the main flow are analyzed.An additional study on the impact of subtle shroud cavity exit geometry is also presented.The investigation results indicate that the honeycomb seal affects the over tip leakage flow and reduces mixing losses when compared to the solid labyrinth seal.The leakage flow interactions with the main flow have considerably changed the flow fields in the endwall regions.The proposed research reveals the effects of honeycomb seals on the loss characteristics in shroud cavities and the impact of subtle shroud cavity exit geometry,and it is helpful for the design optimization of turbomachinery.     

迷宫密封的湍流增阻

迷宫密封是依靠节流间隙中的节流过程和迷宫空腔内的动能耗散过程来实现密封的,这两个流体流动过程从本质上规定了迷宫密封的密封性能。通过密封内部流动本质的研究,可以利用湍流流动的一些规律和特点,发挥密封内部湍流的增阻作用,提高密封性能。通过对一种锯齿形迷宫密封的数值和试验研究,揭示了湍流惯性偏转和射流收缩在湍流增阻中的作用。利用这些湍流增阻的原理,可以突破节流间隙的微小尺寸限制,实现较大间隙下的良好密封,这不仅会给迷宫密封的制造、安装及运行等带来很大的方便,而且可以为发展新的迷宫密封理论奠定理论基础。     

齿形几何参数对直通篦齿封严泄漏特性的影响

建立不同封严间隙、齿高、齿距、齿宽、齿数等几何参数的直通篦齿模型,通过数值方法分析不同气动参数(进出口落压比)条件下几何参数变化对其泄漏特性的影响。结果表明,流量系数随落压比的增大而增大,随着封严间隙、齿宽的增大而增大,随着齿高、齿距、齿数的增大而减小。5个几何参数中,封严间隙对流量系数的影响最大,其次为齿数、齿距、齿高、齿宽。利用最小二乘法拟合得到流量系数与几何参数及气动参数的准则关系式,拟合公式计算结果与数值模拟结果吻合较好,可用于篦齿的工程设计计算。     

新型涡流槽密封泄漏特性与动力特性研究

提出一种密封入口周向均匀设置有涡流槽的新型密封结构,建立了传统迷宫密封与新型涡流槽密封泄漏特性及动力特性求解模型,在实验验证数值计算方法准确性的基础上,通过比较分析了传统迷宫密封与新型涡流槽密封在不同进出口压比、预旋比工况下的泄漏特性与动力特性,研究了新型涡流槽结构对密封泄漏特性及动力特性的影响机理。研究结果表明：随着涡流槽数量的增加,涡流槽密封的泄漏量逐渐降低;在同一压比下,不同涡流槽数新型密封的泄漏量之间差值随着压比的增大而增大。当压比为6时,64涡流槽的新型密封较传统迷宫密封,泄漏量下降了3.37%;在高预旋比的工况下,不同涡流槽数量密封的切向气流力均与转子涡动方向相反,起到抑制转子涡动的作用,且随着涡流槽数量的增加,切向气流力也随着增大;随着转子涡动频率的增大,三种不同涡流槽数量密封的交叉刚度先减小到负值然后增大到正值。涡流槽密封的有效阻尼均高于传统迷宫密封,新型涡流槽密封可以提高转子系统的稳定性。     

蜂窝结构对篦齿-蜂窝密封封严性能的影响

为提高压气机级间气路封严密封性能,在传统六边形蜂窝的基础上,改变其结构得到方形蜂窝和圆形蜂窝,数值研究不同间隙、压比和转速下蜂窝结构对篦齿-蜂窝密封封严性能的影响。结果表明:间隙增加时,篦齿密封、六边形蜂窝密封、方形蜂窝密封、圆形蜂窝密封4种密封方式泄漏量均线性增加,但由于蜂窝破坏了流场透气效应,故篦齿-蜂窝密封泄漏量增速最慢,其中圆形蜂窝密封封严效果最好;压比增加时,4种密封方式泄漏量均增加,但篦齿及蜂窝腔室内形成漩涡亦随压比增加而愈发强烈,耗散更多能量,故泄漏量增速逐渐变缓;转子转速增加时,流体环向速度增加,4种密封方式泄漏量均减小,而蜂窝环向切割流体形成漩涡耗散能量,故篦齿-蜂窝密封减小幅度较大。在大间隙高压比高转速的工况下,篦齿-蜂窝衬套结构封严效果更好,其中篦齿-圆形蜂窝密封最具优势。     

篦齿封严气弹稳定性影响因素研究

为探究篦齿封严气弹失稳机制,理论分析了篦齿封严结构动力学与气弹稳定性判定公式,建立了篦齿封严结构动力特性数值求解模型与气弹稳定性求解模型,并验证该了方法的准确性;研究了篦齿环齿间距、壁厚以及转速对篦齿封严固有频率与气弹稳定性的影响规律,揭示了篦齿封严气弹失稳影响机制。研究表明：齿间距、壁厚对固有频率的影响程度随着节径数的增加而增大,对前三阶固有频率影响不大;转速对于第一阶固有频率影响最大;篦齿封严齿间距的增加会导致固有频率和气弹稳定性的下降;篦齿封严壁厚的增加可引起固有频率的升高,并且可以有效改善气弹稳定性;升高转速会引起篦齿环固有频率较明显的增加,对气弹稳定性影响较小。     

Influence of tip clearance on pressure fluctuations in an axial flow pump

Rotor-stator interaction in axial pumps can produce pressure fluctuations and further vibrations even damage to the pump system in some extreme case. In this paper, the influence of tip clearance on pressure fluctuations in an axial flow water pump has been investigated by numerical method. Three-dimensional unsteady flow in the axial flow water pump has been simulated with different tip clearances between the impeller blade tip and the casing wall. In addition to monitoring pressure fluctuations at some typical points, a new method based on pressure statistics was proposed to determine pressure fluctuations at all grid nodes inside the whole pump. The comparison shows that the existence of impeller tip clearance magnifies the pressure fluctuations in the impeller region, from the hub to shroud. However, the effect on pressure fluctuation in the diffuser region is not evident. Furthermore, the tip clearance vortex has also been examined under different tip clearances.     

基于瞬态有限元的齿轮箱迷宫密封泄漏研究

针对某高速列车齿轮箱迷宫密封的润滑油泄漏问题,基于ANSA软件建立齿轮箱及迷宫密封结构的有限元模型,并采用FLUENT软件对其进行多相流瞬态仿真分析,研究迷宫密封结构的相对啮合深度、节流齿厚、径向间隙、回油孔直径及个数、齿与台阶距离、齿宽、密封间隙对润滑油泄漏量的影响。结果表明：当相对啮合深度大于0.5时,润滑油泄漏量与相对啮合深度呈负相关;润滑油泄漏量与节流齿厚、回油孔直径、回油孔数量呈负相关;润滑油泄漏量与径向间隙、齿宽、齿与台阶距离、密封间隙呈正相关。根据研究结果对迷宫密封结构进行改进,改进后的迷宫密封结构润滑油泄漏量降低为原始泄漏量的3.6%。     

Numerical study on flow characteristics at blade passage and tip clearance in a linear cascade of high performance turbine blade

A numerical analysis has been conducted in order to simulate the characteristics of complex flow through linear cascades of high performance turbine blade with/without tip clearance by using a pressure-correction based, generalized 3D incompressible Navier-Stokes CFD code. The development and generation of horseshoe vortex, passage vortex, leakage vortex, tip vortex within tip clearance, etc. are clearly identified through the present simulation which uses the RNG k-ε turbulent model with wall function method and a second-order linear upwind scheme for convective terms. The present simulation results are consistent with the generally known tendency that occurs in the blade passage and tip clearance. A 3D model for secondary and leakage flows through turbine cascades with/without tip clearance is also suggested from the present simulation results, including the effects of tip clearance height.