跨音速涡轮定常与非定常叶尖泄漏流机理分析

针对格拉兹大学单级跨音涡轮流场进行数值模拟并分析其叶尖泄漏涡结构与非定常影响机理。结果表明:泄漏涡于破碎前为类Rankine涡结构,破碎后卷吸入间隙流体,同时受涡核卷吸而围绕其运动的部分间隙流与主流掺混,形成高剪切流区域,形成类Sullivan涡结构的亚临界状态。非定常尾迹含有的流向涡量与叶尖泄漏涡-刮削涡涡对相互作用下,引起叶尖泄漏涡周向位置与尺度发生波动;跨音涡轮中非定常的动、静叶排位势场作用导致激波与波后静压场分别对泄漏涡的位置与尺度产生影响。在动、静叶栅距比为1.5时,尾迹与位势场的非定常作用同样重要,导致泄漏涡损失加大。未来设计高压涡轮需要考虑非定常的相互作用以控制叶尖泄漏损失。     

采用冷气射流调节对转涡轮高压部件流量的数值研究

针对先进发动机对涡轮变工况流量调节的需求,以某对转涡轮高压部件为研究对象,采用源项法模拟冷气射流,对导叶压力面、吸力面射流孔位置、射流角及射流流量对涡轮流量调节效果的影响进行了数值研究。结果表明:射流轨迹通过堵塞流道能实现减小涡轮进口流量的需求;从流量调节效果而言,不存在最佳压力面射流位置,而最佳吸力面射流位置位于喉道上游附近;最佳射流角度为直角及钝角;射流流量越大涡轮流量变化范围越大,并且吸力面射流引起的流量变化范围大于压力面射流。     

高压涡轮动叶气膜冷却的数值模拟

为研究旋转造成的非稳定性对高压涡轮动叶气膜冷却的影响,建立了3维涡轮叶栅通道模型,应用周期性边界条件数值模拟了不同转速下涡轮动叶表面气膜冷却效率和换热系数的分布,冷气进口与涡轮前总压比为1.07,温度比为0.5。转速增加,叶片前缘滞止线从压力面移向吸力面,气膜出流从吸力面移向压力面;压力面气膜冷却效率上升,换热系数下降;吸力面冷却效率先上升后降低;换热系数下降。与静止相比,旋转不稳定性增大了叶片表面气膜覆盖面积。     

动静干涉下低压涡轮非定常气动载荷研究

为研究动静干涉下轴向间距和尾缘锯齿结构对低压涡轮叶片非定常气动载荷的控制作用，对高效节能发动机(energy efficient engine，简称E3)低压涡轮最后一级的内部流场进行了数值仿真，研究了不同轴向间距和静叶尾缘锯齿结构两种情况下，下游动叶表面非定常气动载荷的变化规律。研究发现：增大轴向间距可以加强尾迹与主流的掺混，消除气流不均匀性，削弱下游动叶表面的非定常气动载荷；静叶采用尾缘锯齿结构不仅可以加强尾迹与主流的掺混，同时还会改变尾缘处的涡结构，对下游动叶前缘产生破坏性干涉效应，使其最大载荷波动降低约30%，减少静叶尾迹速度亏损75.7 m/s，还能适当提升涡轮的流通能力和时均效率。与采用直尾缘静叶的模型相比，采用锯齿尾缘静叶不仅能大幅度地改善涡轮的转静干涉效应和气动性能，还能在不影响涡轮效率的前提下，将涡轮轴向间距缩短10%。     

静叶尾迹对压气机动叶非定常气动载荷的影响

以某型航空发动机压气机转子系统为研究对象,建立了单级叶盘的三维结构及流场模型。通过对滑移网格(sliding mesh,简称SM)方法与运动坐标系(moving reference frame,简称MRF)方法在计算耗时和收敛性方面的比较,证明了运动坐标系方法的准确性和高效性。考虑前一级静叶尾迹的影响,求解压气机内部在不同时刻的流动特性,得到静叶尾迹对动叶流场的非定常干扰情况。经过对压气机叶顶和轮毂、动叶压力面和吸力面非定常气动载荷的分析发现:在动叶流场的前缘形成了较主流区压力和速度较低的不均匀流场,且在动叶前缘叶顶位置受到的气动载荷最为显著;动叶压力面和吸力面气动载荷的分布规律相反,从叶顶至轮毂、前缘至尾缘,压力面非定常气动载荷的大小和波动幅度逐步递减,而吸力面却与其相反,呈现出逐步递增的趋势。该研究为某型航空发动机压气机叶盘转子系统的动力学设计提供了理论依据。     

冷气掺混对涡轮叶栅气动损失影响的试验研究

对某型涡轮平面叶栅,在不同的主流雷诺数下,以多种喷射方式和不同的流量比喷射冷气,研究型面压力分布及出口气流场参数的变化。试验结果表明,冷气入射对叶片表面静压分布几乎没有影响,只对冷气孔位置附近压力产生影响,相对来说,压力面入射冷气导致的变化小于吸力面。随进口马赫数升高,在相同的冷气流量比下流动总压降低。然而,在相同的马赫数下,随着冷气流量比增大,压力面入射跟吸力面入射导致的总压变化规律不一样。     

叶冠齿顶间隙对涡轮气动性能的影响研究

通过数值方法对某二级带冠涡轮的流场进行研究,分析了齿顶间隙对涡轮气动性能的影响。研究结果表明:泄漏流与主流掺混后形成一个涡流区,改变了叶栅上半通道的流场结构;随着齿顶间隙的增加,涡轮的流量先快速增加后趋于平缓,涡轮的效率先快速减小后趋于平缓;同时发现不同工况下,涡轮的流量和效率的变化趋势相同。     

考虑封严容腔的涡轮非轴对称端壁优化目标研究

基于自主开发的非轴对称端壁优化设计平台,在某高负荷低压涡轮环形叶栅上开展了非轴对称端壁设计,分别以总压损失、SKEH以及两者的组合参数为优化目标对不同的目标函数进行研究,计算时考虑下端壁封严容腔的影响。研究结果表明,封严容腔对端区二次流发展有重要影响,端壁造型能优化封严冷气出流方向和出流特征,从而抑制通道涡发展,因此在非轴对称端壁设计时要考虑容腔效应;单独采用SKEH为优化目标时,优化集中在降低二次动能上,遏制了封严出流漩涡的形成,不能有效抑制马蹄涡压力面分支的生成和发展。     

带有根部间隙的压气机静子通道流场测量

为了研究静子根部间隙对压气机性能的影响,设计了4支不同长度的“L”形五孔探针和1支四孔探针。通过位移机构移动上述探针,对某双级低速轴流压气机在不同流量工况下的5个不同轴向位置的静子通道截面流场进行了实验测量。实验结果表明,在最大流量和近失速工况下,根部间隙引起的泄漏流和叶尖处的角区分离流与主流的掺混始终是造成静子通道内 总压损失的主要原因。随着进口流量的减小,泄漏流和角区分离的起始位置将更靠近通道进口。     

轮缘密封布置对转静系内主流入侵的影响（英文）

本文中利用气热耦合的数值方法对不同轮缘密封结构下的涡轮盘腔内部的流动和传热特性开展数值研究。高半径位置处的径向间隙可以不但可以封锁主流入侵同时可以防止扫吹流直接进入主流通道。与简单的轴向间隙轮缘密封相比径向间隙的轮缘结构可以改善涡轮盘固体的温度场分布,并将封严效率提高约3%～10%。轴-径间隙轮缘密封保持了径向间隙的优势,并进一步减小了主流入侵对转静轮盘温度分布的负面影响。在轴-径间隙轮缘密封最小封严流量条件下,与轴向间隙轮缘密封对比,封严效率提高5.29%,气动效率提高1.8%。     

低速轴流涡轮叶片层流分离流动的数值模拟方法比较

在低雷诺数进口条件下,低速涡轮叶片绕流可能存在大范围的层流流动、层流分离流动、边界层转捩和显著的径向二次流动,流动结构复杂,给精确的数值模拟提出挑战。本文对AIST低速轴流单级涡轮内部流动进行数值模拟,其中静叶通道分别采用全层流模型、全湍流模型、AbuGhannamShaw(AGS)转捩模型和分离涡模拟(DES)方法,动叶通道求解RANS方程,湍流模型为Spalrat-Allmaras一方程模型。与实验结果对比显示,层流模型准确地捕捉到了静叶叶片吸力面层流分离的分离位置。三维流动结构分析显示,在很低的雷诺数条件下,静叶吸力面层流分离流产生很大的径向运动,没有再附于叶片表面,被卷入叶片根部的通道涡中。     

导叶结构参数对盘缘封严效率影响的数值研究

为揭示导叶结构参数变化对封严效率及盘腔流场影响的规律，基于周期性三维数值方法，在主流添加用户自定义标量模拟燃气入侵，研究导叶角度、导叶轴向位置和导叶稠度对盘缘封严特性的影响。结果表明：流体流经导叶后，会在尾缘分离降速，从而在尾缘下游形成一个高压区，其分布形式沿切向类似正弦分布；外部诱导燃气入侵存在2种形式，即导叶尾缘分离降速升压诱导燃气入侵和主流撞击到转盘壁面速度滞止升压诱导燃气入侵；入侵位置轴向是近转盘侧，切向是导叶尾缘压力最高值位置；在高旋转雷诺数下，主流入侵的方式为旋转诱导，改变导叶结构参数对封严效率的影响不大；在低旋转雷诺数下，随着导叶角度增加，切向压力非均匀进一步增强，封严效率降低5%;随着导叶轴向位置增加，切向压力非均匀减弱，封严效率增加28%;随着导叶稠度增加，切向的压力变化不大，但是主流的切向速度明显增加，使得封严效率增加30%。     

时序效应对导叶式离心泵内部压力脉动影响的数值分析

为了研究时序效应对导叶式离心泵内部非定常压力脉动的影响,基于雷诺时均(Reynolds averaged Navier-Stokes,RANS)方程,在0.6Qd、1.62Qd两个非设计工况下,应用SST k-ω湍流模型对导叶在一个栅距内的5个不同时序位置下泵内部流动进行三维非定常数值计算,得到导叶和蜗壳流道内压力脉度强度分布随不同导叶时序位置的变化规律,结果表明,导叶时序效应对叶轮与导叶的动静干涉引起的压力脉动强度影响较明显;在导叶靠近进口的吸力面区域和导叶喉部区域存在着较大的压力脉动强度;压力脉动强度沿着导叶流道向下游传播并逐渐减弱;导叶时序效应对蜗壳平面的压力脉动强度影响非常明显,压力脉动强度呈现不规律分布;当在小流量0.6Qd工况时,当导叶时序位置为C3时,导叶内压力脉动强度最大值为0.44,而当导叶时序位置为C2和C4时,压力脉动强度最大值分别为0.24和0.22;当在大流量1.62Qd工况时,当时序位置为C2时,压力脉动强度最大值为0.87,而当时序位置为C1和C4时,压力脉动强度最大值为分别为0.72和0.77;在非设计工况下,蜗壳内的压力脉动强度相对导叶的压力脉强度较弱。C4时序位置能减小余热排出泵运行中的压力脉动强度,从而提高泵的稳定性,为导叶的安装位置提供参考。     

自循环机匣对高速离心叶轮性能及稳定性影响的研究

本文以某高速离心压气机为研究对象,通过数值模拟的方法,研究了叶轮失稳流场和两种自循环机匣对其性能的影响,以期揭示自循环机匣影响叶轮性能和内部流场的内在机理。研究首先模拟叶轮在实壁机匣下的情景,发现小流量工况下的叶片表面二次流强度明显增大,在叶轮前缘和叶顶泄漏流大量掺混,以至于在分流叶片通道进口出现了大范围堵塞,形成大范围"尾迹区",引起叶片失速。针对上述现象,研究模拟叶轮在两种不同后槽位置的自循环机匣下的情景。采用自循环机匣结构后,最高能使失速裕度提升6%,设计点效率下降0.5%。在小流量工况下,气流主要由主叶片压力面附近流入机匣结构中。有效降低了叶顶泄漏流强度和压力面叶顶通道涡强度,同时还增加叶轮进口的流量,减小叶轮进口的气流攻角,降低了流动损失。     

大型火电机组轴流风机运行特性及内流特征的数值模拟

应用流体计算软件Fluent对某600MW大型火电机组配套的SAF两级动叶可调轴流引风机的内流特征及运行特性进行模拟分析。研究表明:正常状态下风机内静压沿轴向先增大后减小,动压仅在扩压器区及集流器区出现较大变化,动叶轮的升力作用主要转化为流体静压,全压的增加则主要来自静压的增大;风机动叶出口截面总压呈现高压区与低压区交替出现的周向对称性分布,但第二级动叶出口总压分布的对称性要比第一级的差;叶片压力面与吸力面间的静压差沿叶高方向逐渐增大,表明叶片中上部的做功能力较强;相同流量下随着动叶安装角的减小,叶片压力面与吸力面速度变化梯度减小,做功能力减弱,风机的全压升逐渐减小。     

周向布局对串列转子气动性能的影响研究

串列叶栅是提高轴流压气机气动负荷的有效途径。在串列转子设计中,前后排转子的周向相对位置对其效率和失速裕度具有重要影响。研究发现当后排转子前缘靠近前排转子压力面时,串列转子效率和失速裕度均要优于其他周向布局形式。在设计工况,后排转子的势影响对前排转子吸力面流动有着重要影响,当后排转子前缘逐步靠近前排转子压力面时,可以改善前排转子吸力面尾缘区域的压力梯度,避免吸力面发生流动分离;在近失速工况,当后排转子前缘靠近前排转子压力面时,利用后排叶尖泄漏流与前排尾迹之间的流动掺混,可以有效减小后排通道中叶尖的气动堵塞,有效拓宽串列转子的失速裕度。     

基于Kriging插值的失谐叶盘气动 结构耦合振动特性分析

以某型航空发动机压气机转子为研究对象,考虑叶盘间动静干涉的影响,对压气机叶盘转子内部的三维流场进行了模拟。通过静频试验引入叶片失谐量,基于Kriging模型完成了耦合界面载荷数据的传递,分析了压气机转子叶片表面非定常气动载荷的分布规律,并讨论了失谐和气动载荷对压气机转子叶盘系统振动特性的影响。结果表明：压气机叶片受到的气动载荷为非定常脉动压力,主导频率为动静干涉频率f0的倍频;在干涉周期T内,压力面和吸力面气动载荷的变化呈相反趋势,且压力面气动载荷的非定常性明显大于吸力面气动载荷的非定常性;失谐和气动载荷的作用加剧了叶盘系统的振动。研究结果为压气机叶盘转子系统的动力学设计提供了理论依据。     

组合压气机中尾迹与势流同频/异频干涉的叠加特性

为揭示多级压气机中上下游叶轮对中间叶片叠加气动影响特性,阐述不同叠加干涉情况下下游叶轮进气角度变化,采用数值方法模拟了一级轴流和一级离心组成的组合压气机非定常流场。详细讨论了上游动叶尾迹和下游动叶势流对中间导流叶栅段气流非定常流动的异频和同频叠加干涉特性,依据计算结果,直观地展示了静叶通道中两种干涉间相互激励和抑制作用的位置和时间,与数学公式的推导结果相互印证。研究结果表明:当上下游动叶对中间静叶段异频干涉时,干涉的激励、抑制区域的轴向位置随时间发生变化;当上下游动叶对中间静叶干涉频率相同时,干涉的相互激励、抑制区域的轴向位置不随时间发生变化,但干涉的激励、抑制区域的轴向位置受时序位置影响。另外,上游动叶尾迹与下游离心叶轮势流的不同叠加情况,决定着下游离心叶轮进口相对气流角的大小及波动幅值。      

超紧凑燃烧室进口速度对燃气掺混的影响

在超紧凑燃烧室中,燃油在周向环腔中燃烧后,高温燃气进入叶间通道与主气流发生掺混作用后排出并对涡轮做功。本文利用FLUENT软件数值模拟了不同主气流进口速度和不同二次射流进口速度条件下,高温燃气稀释掺混效果,并指出二次射流进口速度增大,主气流进口速度减小有利于高温燃气充分稀释掺混,反之,则不利于高温燃气稀释掺混。     

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。