超微涡轮动叶栅叶顶间隙对流场影响的数值模拟

通过数值求解基于雷诺时均的三维定常粘性N-S方程,结合RNGk-ε湍流模型和非平衡壁面函数,对一种超微型向心涡轮动叶栅内的流动情况进行了数值模拟。揭示了具有极低展弦比动叶栅叶顶间隙对流场参数分布和气动损失的影响,为超微涡轮的设计和改进提供了理论依据。模拟结果表明,叶顶间隙的大小对通道内马赫数分布有重要影响,其中顶部间隙射流所引发的泄漏涡与主流的掺混是主流马赫数降低的重要原因;叶顶间隙的存在使得总压损失系数均匀化,即近壁区和主流区的总压损失都较高;动叶栅在叶展方向上的载荷分布均匀,弦向载荷主要由接近尾缘的弧段承担;模拟中还解析出三维的尾迹涡,这主要是动叶栅尾缘过厚所导致,应进行叶型改进。     

轴向掠对涡轮静叶栅气动性能的影响

选用涡轮静叶栅作为原型叶片,通过对原型叶栅改变轴向掠角和掠高,构造不同掠型的叶片,研究轴向掠对涡轮静叶栅气动性能的影响.改型计算的掠角包括前后掠10°和30°,掠高包括10%和30%叶片高度,用CFD数值仿真软件对轴向掠叶栅的气动性能进行模拟.结果表明;与原型叶片比较,静叶栅轴向前掠增大了低能流体在端壁角区的集聚,增加了端壁横向二次流,引起损失增大,而叶展中部的损失减小;静叶栅轴向后掠减小了低能流体在端壁的堆积,减小了端壁二次流,低能流体被卷入到主流区内,减小了端壁损失,而增大了主流区的损失.     

非轴对称端壁抑制叶栅二次流分离的实验研究

应用热线测量和颗粒图像测速(PIV)技术,测量平端壁叶栅(FEW)和非轴对称端壁叶栅(CEW)的二次流动。基于叶栅内的涡结构和剪切应力,分析非轴对称端壁降低二次流损失的流动机理。实验结果表明:二次流在叶片吸力面的边界层分离导致壁面涡与主流流体的剪切掺混,这是叶栅二次流损失的主要来源;非轴对称端壁通过降低端壁横向压力梯度推迟二次流分离的发生,使壁面涡与主流区产生剪切掺混的范围缩小,并使端壁二次流的流向速度提高、壁面涡的强度降低,在上述两方面作用下叶栅内的剪切应力减小,叶栅二次流损失降低。     

不同翼刀高度控制涡轮静叶栅二次流的数值模拟

对端壁加装翼刀的涡轮静叶栅的三维流场进行了数值模拟,分析了翼刀对叶栅沿流向各截面二次流及叶栅气动特性的影响,并研究了翼刀改善二次流的机理.结果表明:与常规叶栅的二次流特性比较,翼刀的存在一方面降低了端壁附面层内横向压力梯度,减弱了低能流体向吸力面/壁角区的堆积;另一方面产生反向翼刀涡,限制了马蹄涡压力面分支的发展,从而达到减小通道涡尺寸和强度的目的.最后,还对几个不同高度的翼刀方案进行了比较,发现翼刀高度为2/3δ时,对二次流的控制最佳.     

大转折角涡轮静叶栅二次流的数值模拟

对大转折角涡轮静叶栅三维流动进行了数值模拟,并详细分析了叶栅沿流向各截面二次流及叶栅的气动特性.结果表明:由压力面向吸力面运动的二次流强度沿流向逐渐增大,引起吸力面附近的端壁附面层不断壮大且在后部卷起,并导致沿叶高总压损失系数和沿叶高出口气流角的剧烈变化.通过对不同高度的叶栅进行比较发现,叶高的减小会扩大二次流所占叶高区域,从而导致叶栅的二次流损失急剧增加.     

燃气透平静叶栅的弯扭气动设计分析方法

给出了一个适用于弯扭燃气涡轮静叶栅的气动设计分析通流计算方法。采用Ｓ２流面流函数方程做为主控方程，而热力气动参数的计算采用变热比求解方法，损失模型以修正的安利－马歇森模型为基础，二次流损失的计算考虑了弯叶片的影响。用此方法对一小展弦比涡轮级静叶栅进行不同弯曲角的弯扭联合成型气动设计，合理地反映了叶栅内流场特性。     

用CFD研究涡轮静叶栅的二次流损失

利用CFD软件Fluent对大转折角涡轮叶栅三维流场进行了数值模拟。采用静叶栅前移动的圆柱列替代上游动叶,发现圆柱尾迹进入叶栅流道的位置不同,对叶栅总压损失有较大影响。同时,通道内逐渐增大的横向压力梯度对二次涡发展产生了显著的影响,引起沿流向叶栅总压损失的急剧增大,认为叶高的减小会极大提高叶栅的二次流损失。     

涡轮静叶栅二次流的数值模拟

采用CFD软件Fluent数值求解了大转折角涡轮静叶栅三维流动,分析了叶栅沿流向各截面二次流及叶栅的气动特性,并研究了叶高以及入口攻角变化对叶栅二次流的影响.计算发现,由叶栅压力面向吸力面运动的二次流强度沿流向逐渐增大,引起吸力面附近端壁附面层不断壮大且在后部卷起,并导致沿叶高总压损失系数和沿叶高出口气流角的剧烈变化.通过不同叶栅工况的比较,发现叶高的减小以及攻角的增大会极大提高叶栅的二次流损失,其本质原因都是叶栅通道内二次流所占区域的扩大所致.     

汽轮机调节级动叶栅大负冲角工况下的三维分离流动研究

对大功率汽轮机组提出的承担调峰任务的要求使得调节级小展弦比动叶栅非设计工况下的二次流与分离流特性受到关注。采用经试验考核的计算方法对一展弦比为0．344的动叶栅在冲角条件下的三维分离流场进行数值模拟，得到了详细的叶栅二次流与分离流的流动图谱，并给出了气流的三维分离模式。计算结果表明：在大负冲角条件下，三维分离流动显著改变了叶栅二次流结构及出口气流参数沿叶高的分布规律。叶栅出口气流在下端壁附近发生明显的欠偏转现象，同时叶栅下部的损失急剧增加，流动的总损失比设计工况增大2倍，二次流损失增大4倍。图10参5     

后加载技术在极小展弦比叶栅中的应用

具有后部加载载荷分布的透平叶片能有效控制叶片通道内二次流的形成，降低二次流动损失，同时该类型叶栅具有良好的攻角适应性，因此可以显著提高叶栅通道内的流动效率。本文应用后加载技术设计了一种具有后部加载特性的极小展弦比静叶栅，其叶栅的数值分析结果和实验结果表明，叶栅有低的三维叶栅损失，叶栅性能随不同展弦比、不同攻角和不同出口马赫数的变化不大。