冷气掺混对涡轮叶栅气动性能影响试验研究

为分析冷气掺混对涡轮叶栅气动性能的影响,对某船用燃气轮机高压涡轮导叶开展了带冷气条件下的扇形叶栅吹风试验,结果表明：冷气掺混对叶片型面压力分布有较大影响,且在吸力面表现尤为突出;在冷气流量比小于7%工况下,叶栅能量损失较无冷气喷射时增加（< 9%）,甚至在Ma=1.05时能量损失较无冷气喷射时还小;当冷气流量比大于7%时,叶栅能量损失随冷气流量比的增大而迅速增加（最大可达26%）;平均出口气流角随着出口马赫数的增加而增大,变化范围为17.7°~18.1°,且在同一工况下冷气喷射会使平均出口气流角增大。     

气膜冷却对高压涡轮叶栅损失特性的影响研究

为获得全气膜气冷涡轮叶栅的损失特性,采用试验及数值仿真方法,研究了不同冷气流量、不同叶栅出口马赫数条件下冷气射流对叶栅损失的影响。通过叶栅槽道静压云图及叶片表面压力分布等试验及数值仿真结果对比,验证了通冷气叶栅性能仿真分析方法的准确性。结果表明：同一冷气流量比下,通冷气叶栅能量损失系数随着马赫数的增大先减小后增大,在设计马赫数附近损失最低;通冷气叶栅能量损失系数随着冷气流量的增大而增大,且前后腔均通冷气时能量损失系数最大,前腔单独通冷气时能量损失系数最小;通冷气叶栅能量损失系数随着冷气与主流温比增大而增大。     

尾缘造型及冷气喷射对跨声速涡轮叶栅损失的影响

通过对不同尾缘造型、不同尾缘冷气喷射量下某跨声速涡轮叶栅的数值模拟,初步得出了尾缘劈缝冷却对尾缘损失以及叶栅能量损失影响的规律。其主要表现为:从减小叶栅能量损失角度来讲,尾缘冷气喷射流量存在最佳值,且随劈缝长度增加,此最佳冷气喷射流量越小;从减小尾缘激波强度角度来讲,较大的冷气流量以及较长的尾缘劈缝有利于减小激波损失,但会消耗过多冷气并增加掺混损失,导致总损失增加。     

高负荷涡轮扇形叶栅变攻角气动试验研究

为了探究不同出口马赫数、进口攻角对涡轮叶栅气动性能的影响,本文在进口气流偏离轴向23°的条件下,试验出口马赫数分别为0.7、0.8、0.9,并在出口马赫数为0.8的条件下,攻角分别为0、±7.5°与±15°,对某型涡轮扇形静叶栅进行了吹风试验。试验结果表明:随着出口马赫数的增加,叶片载荷增大,出口总压损失增加,出口气流角减小;随着进口气流攻角从负到正的变化,叶片前缘压力载荷增加,出口气流角增加,总压损失先减小再增大,且攻角为0时,总压损失最小。     

考虑变比热的冷却涡轮弯曲叶栅流场的数值模拟

对采用弯曲叶片的某型高压涡轮导向器有／无冷气喷射时的栅内流场进行了数值模拟。应用了以冷气源项反映冷气掺混影响的三维变比热计算方法。结果表明,弯曲叶栅内的冷气喷射导致了马赫数和温度的变化;叶片表面和端壁得到有效的低温保护;在相同冷气流量下,压力面附近温度降低较吸力面明显,冷却气膜的作用也更为有效;栅内二次流对冷气分布有影响。     

小叶片对大转角扩压叶栅出口流场的影响

采用五孔探针分别测量了6~26°不同攻角下,大转角高扩压度叶栅及增加小叶片后叶栅的出口流场。结果表明:大小叶片叶栅中,小叶片改善了设计工况下叶栅内部流动,抑制了大叶片吸力面及端壁角区流动损失向叶栅中部的发展;在较大与较小攻角时,叶栅流动损失明显增加;大攻角时大小叶片叶栅出口中部区域速度场得到明显改善,其余工况通流能力变化不大;大小叶片叶栅在所有工况下,出口截面上气流转角整体平均约增加3~5°,表明气动负荷有一定提升。     

扩压叶栅中端壁附面层抽吸对流场品质调控的研究

为调控平面扩压叶栅流场品质、使测量结果满足二维性,在叶栅端壁增加附面层抽吸装置。采用试验校核的数值方法,分析了不同抽吸位置、不同抽吸流量、不同冲角时端壁附面层抽吸对平面扩压叶栅出口气流角、轴向密流比和总压损失系数等参数的影响。结果表明：在抽吸位置上,位于叶片中前部的抽吸方案对扩压叶栅流场品质的改善效果相对最好。随抽吸流量增加,流场品质进一步改善,抽吸流量为原型进口流量的3%可使冲角为0°时的轴向密流比降低至0.995,主流区出口气流角偏差小于0.1°;抽吸流量为原型进口流量的2.25%可使计算冲角范围内轴向密流比均降低至1.05以下,主流区出口气流角偏差小于0.2°。冲角在-5°,-3°和0°时端壁抽吸使50%相对叶高位置处平均总压损失降低,冲角在2°,4°时使50%相对叶高位置处平均总压损失增加,损失冲角特性更接近理想二维叶栅。     

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.     

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.     

气冷涡轮转子变叶尖间距性能试验及数值研究

为量化评估工程应用的气冷低压涡轮带冠转子叶片的叶尖间距大小对涡轮气动性能的影响,综合现有涡轮部件试验能力,以单级轴流低压涡轮性能试验件为基础,通过控制圆度的机加方式磨削转子外环内壁以实现叶尖间距的变化,采用控制冷气流量比的方法,开展5次不同叶尖间距大小的涡轮级性能试验,得到多工况下涡轮效率、换算流量和换算功率等特性参数。采用加载冷气及考虑转子叶冠结构的数值模型进行三维仿真计算,并与试验结果对比分析。研究表明：叶尖间距由0.6 mm增加至3.2 mm,低压涡轮流通能力增大1%,叶冠泄漏量增多3.4%,但做功能力下降2.3%。涡轮效率变化与叶尖间距大小近似呈线性关系,叶尖间距每增加1 mm,效率约降低0.7%,同时,叶尖间距的增加导致了叶冠腔的旋涡结构、气流掺混及主流入侵强度逐渐增大,引起动叶总压损失的增大,叶尖间距增加至3.2 mm导致叶间位置总压损失由0.88增至2.3。     

变几何平面叶栅数值模拟

使用CFD软件NUMECA对变几何平面叶栅三维流场进行了数值模拟。分析在不同叶片安装角下,叶片表面静压系数、出口总压损失系数和出口气流角的变化规律。结果表明：在叶栅转角范围内,随着安装角的增大,沿叶型表面气流的扩压段显著增加,叶栅出口气流角也会随之增大,而叶栅总损失不断减小,其中,叶型损失先减小后增大,叶顶间隙泄漏损失和端部二次流损失都是减小的。     

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     

带有冷气掺混的三级透平气动性能数值研究

借助NUMECA数值仿真软件,以某型燃气轮机的三级透平作为计算模型,对其在冷却气体掺混前后的流场进行了数值模拟。考虑到工质物性的影响,采用了变比热高温燃气作为计算工质。同时,针对燃气轮机透平进口的变工况问题,选取不同的透平进口总压值进行数值计算。结果表明,冷却气体的加入使得级损失增大,每列叶片流道出口速度或相对速度减小,下游叶片进口气流角减小;在三级透平冷气掺混时改变进口总压值,每列叶片流道的进口气流角几乎不变,除第三级动叶的激波损失与尾迹损失增大外,其余叶片流道的能量损失变化不明显。     

变几何涡轮可调叶栅过渡态特性研究

变几何涡轮使发动机在变工况下的性能得到提升,为了更透彻地了解变几何涡轮导叶转动过程中参数的变化情况,通过数值模拟及试验方法探究可调叶栅过渡态特性。将变几何涡轮导叶进行调节,导叶调大范围为0°~6°,导叶调小范围为0°~-5°,观察过渡态参数变化规律。试验研究表明：导叶在调大及调小过程中,导叶出口质量流量、绝对气流角和绝对马赫数随转角接近线性变化,导叶出口总压损失系数和熵增接近抛物线变化;导叶从0°向-5°转动过程绝对出口马赫数减小了2.2%,总压损失系数增加了37.3%;导叶从0°向6°转动过程中,导叶出口马赫数增加了1.5%,导叶出口总压损失系数减小了15.8%;在导叶转角和二次流改变的影响下,吸力侧和压力侧来流在导叶尾缘后掺混改变,沿叶高分布的出口绝对气流角不同程度地偏离几何出口角;导叶转角调大,上部通道涡沿叶高上移,泄漏涡和通道涡相互削弱,总压损失系数减小。     

周向偏距对串列叶栅气动性能的影响

周向偏距是压气机串列叶栅设计的一个重要参数,选择合理的周向偏距需要兼顾叶栅设计点和非设计点性能,为此本文采用数值模拟方法,研究五种不同周向偏距的串列叶栅在设计点和近喘点工况下的总体性能和流场细节。研究结果表明,在设计点工况下,增大周向偏距叶栅损失减小,出口气流角随周向偏距的变化相对较小;在近喘点工况下,叶栅损失随着周向偏距的增大先减小后增大,出口气流角随着周向偏距增大而最大有约9°的轴向偏离。因此兼顾压气机设计点和非设计点性能时该叶栅的最佳周向偏距设计值在0.67~0.80之间。     

向心涡轮可调导向叶栅内流动损失机理的分析

通过对向心涡轮可调导向叶栅三维流场数值模拟,分析在不同叶片安装角下,可调叶片表面静压系数和出口总压损失系数的变化规律。导叶安装角从21°增加到44°,通流面积调节范围为50%～116%设计通流面积。结果表明:叶栅开度减小时,叶片的气动负荷增加,总压损失增加。与设计工况相比,导叶关小15°总压损失增加了1倍多。叶栅端部间隙增加了导向叶栅的流动损失,间隙增加2%,损失增加1.5%,端部损失范围从20%叶高增加到40%叶高。叶栅开度减小,端部损失与叶型损失的变化较小,而间隙损失无论是数量还是占总压损失的比重都明显增加,是非设计工况下总压损失增加的主要原因。     

大小叶片扩压叶栅气动性能与流动结构实验研究

针对45°叶型转折角扩压叶栅及增加小叶片后组成的大小叶片叶栅,分别测量了其在设计工况及不同气流攻角下的叶栅气动性能,通过PIV实验获得了对应工况下的叶栅内部流动状态.结果表明：增加小叶片后,叶片压力面至吸力面的压力梯度明显降低,大叶片载荷降低;在设计工况下,叶栅气流落后角仍可参考霍威尔半经验公式进行计算,但偏离设计工况后,该公式存在较大误差;大小叶片叶栅的气流落后角仅在小气流攻角下明显减小,在其余工况下变化不大;不同气流攻角下小叶片对大叶片表面气流流动分离起到约束作用;在设计工况至大气流攻角工况变化过程中,叶栅扩压损失有所降低.     

涡轮平面叶栅变几何试验研究

通过建立变几何平面叶栅试验台,测量了平面叶栅在不同安装角下的叶片表面静压分布、出口总压分布和出口气流角.详细分析各种气动参数随叶片安装角的变化规律,并将试验测得的叶栅各种损失随转角的变化与3种损失模型的预测结果进行了比较,结果表明:在测量的转角范围内,随着安装角的增大,叶片表面扩压断明显增加,叶栅出口气流角也会随之增大,叶栅总损失不断减小.其中,叶型损失先减小后增大,端部二次流损失和叶顶间隙损失都是减小的.     

涡轮叶片气动性能影响因素的实验与数值研究

本文利用实验与数值模拟的方法研究航空发动机涡轮叶栅在改变节距时,其总压损失、出口气流角及叶栅表面静压系数的变化。通过实验和数值计算的结果对比,验证了数值计算的准确性。数值模拟结果显示：相对节距t在0．5—1．0范围内变化,叶栅的总压损失在t=0．9时达最小;叶栅人口攻角从-10°逐渐增加至＋10°时,总压损失呈现递增的趋势;随着相对节距每增加0．1,气流出口角相应增加大约2°;随着叶栅相对节距的增加,附面层增厚、脱离,叶型损失增大。     

某涡轴发动机燃气涡轮性能研究

利用数值模拟的方法对某涡轴发动机的燃气涡轮部分进行性能研究,计算结果同实验数据结果吻合较好,性能曲线显示该燃气涡轮具有较宽广的稳定工作范围.研究发现静叶叶栅出口为超音速流动,具有后加载叶型的特征,其叶栅总能量损失较小;动叶叶栅前缘负倚较大,在吸力面前缘位置有较大的压力变化,叶栅内部通道涡和间隙泄漏涡掺混导致较大的能量损失.