高负荷动力涡轮叶型优化研究

对某型高负荷动力涡轮第一级导叶进行前加载、中间加载、后加载三种方案的叶型优化,用数值模拟的方法研究三种方案对流动损失的影响机理,将三种方案的气动性能参数与未优化的高负荷动力涡轮进行对比,分析了涡轮气动性能优化效果.结果表明:三种叶型优化方案均能控制叶片表面的流动分离,前加载叶片设计增加了端区的二次流损失,后加载叶片设计...     

车用轴向调节式可变喷嘴增压器涡轮流场分析

以车用柴油机轴向调节式可变喷嘴增压器涡轮流场为研究对象,对增压器的不同工况进行试验,分析涡轮内部流场变化情况,研究高低速叶片对涡轮特性的影响。结果表明:完整气动叶型的低速叶片涡轮膨胀比大,气体的动能变化大,激波现象明显,有利于提高涡轮效率;不完整气动叶型的高速叶片工作时,使大流量气体能够快速通过涡轮区域,能量变化较平缓,膨胀比小,叶轮间隙处有明显泄漏现象,影响涡轮输出功率持续提高。     

进口旋流条件下径流涡轮性能异化机制研究

可调两级增压系统中的低压级涡轮受高压级涡轮及上游管道的影响，其进口流场存在较强的旋流，进而该涡轮性能较均匀直流进气条件时呈显著异化现象。针对该问题，本文基于旋流发生器手段，开展进口旋流条件对径流涡轮性能影响的机制研究。结果表明，旋流改变了涡轮进口处的流场分布形态，并在蜗壳通道内产生周向畸变，从而改变周向上各叶轮进口的气流分布，造成蜗壳和叶轮内的显著流动损失异化。随着旋流强度的增大，涡轮效率的下降幅度越大，最大下降约4.1%。该研究探明了不同进口旋流条件下径流涡轮性能的异化机制，为两级可调增压系统高效涡轮设计提供了理论参考。     

高低折边叶片对旋流泵影响的数值模拟与试验研究

为提高旋流泵的扬程与效率,进行了高低折边叶片对旋流泵性能影响的数值模拟与试验研究。通过3种不同叶片的水力性能对比,分析了高低折边叶片对旋流泵性能的影响。选用Pro/E造型,采用非结构化网格,把旋流泵无叶腔和叶轮作为一个整体来模拟旋流泵内部三维不可压湍流场。计算结果表明:旋流泵内部存在较强的纵向旋涡和轴向旋涡,高低叶片和折边叶片可以改善旋流泵内部流动情况,提高旋流泵的扬程与效率;在模拟的基础上,进行了试验研究,试验证明了模拟结果的正确性,高低叶片效率提高约3%,高低折边叶片效率提高约2%。     

平面涡轮叶栅内旋涡结构的试验研究

选择3种典型的平面涡轮叶栅,叶型折转角分别为68o、113o和160o,通过对其内部流场进行详细测量和流动分析,讨论叶型折转角对出口涡量分布、气流角分布以及流动损失的影响,并获得3种典型叶栅的旋涡模型。结果表明,在平面涡轮叶栅中存在着复杂的旋涡结构,而且对于不同的叶型折转角,旋涡模型也不同:随着叶型折转角的增加,流场中通道涡的强度不断增强,其位置也不断向叶片中部移动;受其影响,尾缘涡在整个流场中的地位则随着叶型折转角的增加而逐步降低。旋涡结构的变化会引起叶栅出口的气流角、密流和损失分布的明显差别,可以通过控制旋涡结构来重新组织流场。因此,认识叶栅内旋涡结构的基本特征可以为气动优化策略的选择提供依据。     

叶片式旋流发生器的设计与数值计算

应用NACA65系列叶型,设计了一套叶片式旋流发生器.利用CFD计算,对旋流发生器进行了各种可调参数组合的数值计算,分析了可调参数对旋流发生结果的影响.数值计算结果表明:所设计的旋流发生器能够产生整体涡强度达(8～22).的旋流;叶片数对旋流整体涡强度的影响最为显著.     

叶片正弯曲对涡轮静叶栅流场影响的试验研究

对一典型涡轮静叶型开展了叶片正弯曲对涡轮叶栅流场性能影响的试验研究。测量了直叶栅和 +10°、+2 0°、+30°弯曲叶片叶栅出口流场。结果表明 ,对该叶型叶栅 ,随着叶片正弯曲角的增加 ,通道涡一直位于叶栅端壁附近 ,其强度变化很小 ,但叶栅出口尾缘涡明显增强 ,并向叶栅中部扩展 ;同时 ,随着叶片正弯曲角的增加 ,叶栅端部总损失变化不大 ,但叶栅中部总损失迅速增加 ,导致叶栅总损失随叶片正弯曲角的增加而增大 ,直叶片叶栅总损失最小     

脉冲爆震涡轮盘腔温度特性试验分析

为了研究爆震波对涡轮盘腔内温度特性的影响,通过试验方法测量了爆震室工作在不同频率脉动来流下所模拟的涡轮各腔室内的温度随时间的变化特性。结果表明：爆震波对3个腔内温度影响较小,不存在燃气大量入侵造成腔内超温,影响涡轮正常工作的问题;在脉冲爆震试验中,适当增大分气量对腔内温度变化基本没有影响。     

小直径井下发电机涡轮叶片仿真研究

采用计算流体动力学分析软件FLUENT对小直径井下涡轮发电机的涡轮叶片叶型进行了流体动力学分析,得到其定转子内部的流场分布。将仿真得到的入口压力与理论计算所得的设计压力降做对比,验证了简化后的二维叶型仿真的可行性。分析结果表明,转子叶片吸力面的弯曲程度过大将造成脱流,并且适当增大转子叶片出口角,可减少其尾缘出现涡的可能,提高涡轮叶片的水利效率。根据仿真结果对该叶型进行优化。     

一种改进的涡轮叶片叶型损失预测模型

借助于内部试验和公开发表的大量的叶型损失试验数据,在Kacker和Okapuu的叶型损失预测模型的基础上,提出一种改进的损失预测模型。和传统的方法相比,采用改进的损失预测模型能够更加准确地预测最新设计的涡轮叶片(包括高载荷低压涡轮叶片)的叶型损失。     

三种井下螺旋涡轮水力性能研究

螺旋涡轮主要用于井下涡轮式交流发电机,其水力性能对发电机性能有重要的影响。利用CFD方法对三种不同型式的螺旋涡轮内流场作了三维紊流数值模拟,并在此基础上计算出涡轮的主要外特性曲线,得出了三种涡轮的水力性能。与等螺距涡轮相比,变螺距涡轮和非等宽叶片涡轮改善了内部流体的流动特性,压力损失减小,压降随转速变化更平稳,同时其效率特性也有改善,从而具有更好的水力性能。该研究为井下涡轮式发电机的性能提升和结构改进提供了有力的依据。     

涡轮流量传感器在旋转来流中的特性研究

本文对涡轮流量传感器在旋转来流中的特性进行了理论和实验研究。利用涡轮流量传感器的数学模型,给出了涡轮转速、仪表常数与来流旋转角之间的理论关系式。计算了来流旋转强度及上游直管段长度变化时,仪表常数的变化情况。设计了能获得不同来流旋转强度的旋转发生器,并获得了大量的实验数据。实验结果与理论计算值在较大的流量范围内甚为吻合。     

一种轴流式涡轮的优化设计

利用CFD方法对一种轴流式涡轮的内流场作了详细的三维紊流数值模拟.分析不同叶片结构对流场的影响情况.试验表明改进后的扭曲叶片涡轮比直叶片涡轮的水力性能高,从而验证了CFD软件是一种很有效的流体模拟软件,对改进涡轮的机械性能指明了途径.     

排尘孔涡轮冷却叶片叶顶流动与传热研究

涡轮叶片叶顶排尘孔用于清除冷气中掺杂的尘粒,以保证气膜孔和冲击孔的可靠工作,但排尘孔射流引起叶顶流动和传热问题。采用参数化方法建立有、无排尘孔涡轮冷却叶片几何模型,基于包含叶片主体、主燃气通道和三腔回流式内冷却通道的全局模型,采用流热耦合数值分析,开展排尘孔对涡轮冷却叶片叶顶流动与传热问题的初步研究。研究结果表明,对比有、无排尘孔叶片,排尘孔射流可降低叶顶平均温度约25 K;冷却通道对流换热作用和叶顶排尘孔射流可使叶顶平面降温400～600 K,冷却效果与冷却通道冷气流量和尘孔结构在叶顶位置相关;排尘孔叶顶射流对叶顶间隙高温燃气泄漏具有阻碍作用,可以提高叶片总压恢复系数约0.5%～1.5%,随着冷气流量的增大,这种作用增强;尘孔结构设计应兼顾射流对叶顶流动与传热的共同影响。     

A study on an axial-type 2-D turbine blade shape for reducing the blade profile loss

Losses on the turbine consist of the mechanical loss, tip clearance loss, secondary flow loss and blade profile loss etc.,. More than 60 % of total losses on the turbine is generated by the two latter loss mechanisms. These losses are directly related with the reduction of turbine efficiency. In order to provide a new design methodology for reducing losses and increasing turbine efficiency, a two-dimensional axial-type turbine blade shape is modified by the optimization process with two-dimensional compressible flow analysis codes, which are validated by the experimental results on the VKI turbine blade. A turbine blade profile is selected at the mean radius of turbine rotor using on a heavy duty gas turbine, and optimized at the operating condition. Shape parameters, which are employed to change the blade shape, are applied as design variables in the optimization process. Aerodynamic, mechanical and geometric constraints are imposed to ensure that the optimized profile meets all engineering restrict conditions. The objective function is the pitchwise area averaged total pressure at the 30 % axial chord downstream from the trailing edge. 13 design variables are chosen for blade shape modification. A 10.8 % reduction of total pressure loss on the turbine rotor is achieved by this process, which is same as a more than 1 % total-to-total efficiency increase. The computed results are compared with those using 11 design variables, and show that optimized results depend heavily on the accuracy of blade design.     

低展弦比涡轮静叶栅叶片正弯曲作用的试验研究

对弯曲叶片研究中代表性的HIT涡轮静叶型重新开展了叶片弯曲对低展弦比涡轮静叶栅流场影响的试验研 究。测量了直叶片叶栅、+10°、+20°和+30°弯曲叶片叶栅的进、出口流场,分析了叶片弯曲对叶栅出口二次流、 总压损失和气流角的影响。结果表明:对该叶型叶栅,叶片正弯曲既不能大幅度降低叶栅二次流损失,也不能改 善叶栅出口气流角沿叶高的分布:叶栅出口二次流动、尾缘涡及壁角涡随叶片正弯曲角的增大而增强,而通道涡 强度和位置变化不大;该研究结果同以往有关文献的研究结果完全不同。     

Optimization of a high pressure turbine blade tip cavity with conjugate heat transfer analysis

The current study aims to understand the aero-thermal performance of a cooled cavity tip in a single stage transonic turbine. The squealer tip of the uncooled turbine blade was reduced to an aerodynamic loss with suppressing leakage flow. However, the aerodynamic loss study of the cooled turbine blade tip is rare. It is necessary to study the tip cavity of the cooled turbine blade. Depth, front blend radius and aft blend radius of the cavity were set as design variables, and 30 cases were chosen using design of experiments. These cases were calculated with conjugate heat transfer method. Approximation model was made using the Kriging method, and tip cavity shape was optimized with multidisciplinary design optimization. Average total pressure loss behind the trailing edge and cooling effectiveness of blade tip surface were set to the objective function. The aerodynamic optimization model decreased 1.6 % of total pressure loss, the heat transfer optimization model increased 1.3 % point of cooling effectiveness and aero-thermal optimization model were found. Volume of tip cavity becomes larger when three design variables are grown. Amount of tip leakage flow and its distribution over the tip region increases and total pressure loss and cooling effectiveness increase. In terms of heat transfer, blade tip without cavity is advantageous. Total pressure loss coefficient, however, also increases over 5 %. To improve both aero-thermal characteristics of cooled blade tip, the design using the multidisciplinary design optimization is recommended.

     

基于内流场分析的液力变矩器改型设计

为了提高液力变矩器的外特性,使其与发动机匹配良好,利用CFD软件对液力变矩器内流场进行三元流场数值计算和分析,在此基础上根据性能要求对原有变矩器作改型设计,改进了叶型进出口角、骨线形状和厚度分布等参数,以期得到分布合理的内流场,从而使改型后的变矩器具有符合要求的更优的外特性。改型后的液力变矩器具有更高的效率和与发动机匹配更优的泵轮容量系数,试验结果与计算结果非常吻合,改型设计效果良好。     

Analysis of viscosity effect on turbine flowmeter performance based on experiments and CFD simulations

Viscosity effect is one important factor that affects the performance of turbine flowmeter. The fluid dynamics mechanism of the viscosity effect on turbine flowmeter performance is still not fully understood. In this study, the curves of meter factor and linearity error of the turbine flowmeter changing with fluid viscosity variations were obtained from multi-viscosity experiments (the viscosity range covered is 1.0×10^–6 m²/s–112×10^–6 m²/s). The results indicate that the average meter factor of turbine flowmeter decreases with viscosity increases, while the linearity error increases. Furthermore, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation was carried out to analyze three-dimensional internal flow fields of turbine flowmeter. It was demonstrated that viscosity changes lead to changes of the wake flow behind the upstream flow conditioner blade and the flow velocity profile before fluid entering turbine rotor blade, which affect the distribution of pressure on the rotor blades, so impact the turbine flowmeter performance.     

采用流场分析提高涡轮流量传感器性能的研究

以10 mm口径液体涡轮流量传感器为研究对象,经过对传感器内部流场进行分析,提出通过减小靠近叶片顶端的叶片受力面积,提高传感器测量性能的方法。从对特性曲线的分析出发,结合传感器数学模型,提出了一种利用不同流量点的仪表系数平方差Δ(K~2)评价传感器性能的方法。在此基础上,结合CFD仿真和传感器样机实验测试,研究了不同叶轮叶片形状参数对传感器性能的影响。实验结果表明:改变叶轮叶片形状能有效提高传感器的测量性能,切角参数为0.25时,传感器性能最优;此方法同样适用于其他口径涡轮流量传感器结构的优化。