端壁相对运动对叶顶流动传热特性影响的研究

采用求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-w紊流模型的方法数值研究了端壁与动叶相对运动时动叶顶部的气动换热特性。以实验测量的叶栅为研究对象验证了所采用的数值方法和紊流模型的有效性。分析了端壁与叶顶有无相对运动时叶顶间隙高度对动叶顶部气动换热特性的影响。研究结果表明:端壁与叶顶存在相对运动时,叶顶换热系数随着间隙高度的增大而增大。在小叶顶间隙(s=0.2%H)时叶顶表面平均换热系数最小,动叶顶部前缘处的换热系数显著降低且泄漏流方向发生较大偏转。同时近顶部的吸力面侧前缘换热系数较大,随着叶顶间隙高度增大该区域的换热系数降低。端壁与叶顶无相对运动时,随着叶顶间隙高度的增加叶顶换热系数先增大后减小且在叶顶间隙中间弦长处产生大范围流动分离,当s=0.5%H时叶顶平均换热系数最大。小叶顶间隙(s=0.2%H)时端壁与叶顶存在相对运动时,动叶气动效率比端壁与叶顶无相对运动提高0.5%。大叶顶间隙(s=2.0%H)时端壁与叶顶无相对运动时,动叶气动效率比端壁与叶顶存在相对运动提高0.29%。     

多变气热参数下大尺度槽深叶顶的流动换热特性

为了研究具有渐缩型面凹槽在不同深度下叶顶间隙的流动换热特性,针对某一级高压涡轮,在发动机五种典型工况下通过改变其凹槽深度,采用k-ω湍流模型以及自适应湍流模拟方法(SATES)分别进行定常和非定常的数值仿真分析。研究结果表明,凹槽深度是影响间隙泄漏流动和叶顶换热特性的重要因素,同时该影响趋势也受涡轮工作状态的限制。相比于深凹槽,浅凹槽方案的间隙泄漏量明显降低,对应的涡轮动叶出口总压损失系数也有所降低,这在涡轮小流量状态时尤为明显。然而,深凹槽设计在降低叶顶热负荷方面表现更好,其中槽深0.8H方案比槽深0.1H方案的叶顶平均努塞尔数降低38.3%～95.3%。定常和非定常两种计算方法主要影响了间隙内局部泄漏量和叶顶前部热负荷的预测值,并未改变流动换热特性的分布趋势。     

某小型涡轮不同篦齿封严结构性能分析

通过对某小型涡轮叶顶间隙内的泄漏流动进行数值模拟,分析了不同篦齿形状、高度下叶顶间隙内气流流动特性。结果表明:叶顶泄漏流主要存在于叶片中后部;在保证间隙不变的条件下,梯形篦齿可有效降低泄漏流动;减小篦齿封严间隙可以在一定程度上提高涡轮效率。     

透平叶顶气膜冷却效果数值研究

采用三维数值模拟方法,研究了GE E3发动机第一级透平动叶叶顶间隙内的气膜流动与换热特性,评估了气膜吹风比M分别为0.5、1.0和1.5时,对叶顶换热系数以及冷却效率的影响.计算结果表明:叶顶气膜冷却空气改变了叶顶泄漏流动特性,随着吹风比的增加,叶顶间隙内的泄漏流动区域不断缩小,从而导致叶顶间隙泄漏量不断减小;随着气膜冷却吹风比的增大,叶顶平均换热系数逐步降低;在M=1时,冷却效果最佳.     

可调涡轮叶片在变工况下的端区优化研究

为了使变几何涡轮在大子午扩张流道内可以自由转动,则需要在端壁处保持很大的间隙,但会增大间隙泄漏损失。故为了减小大子午扩张涡轮的间隙损失,需要对此可转导叶的端区进行改造。通过利用三维数值模拟的方法,本文对平面叶栅3种端区结构——叶顶开槽,叶顶迷宫密封结构和叶顶蜂窝密封蜂结构进行的流场进行计算研究,并对比分析了3种涡轮全工况性能的优劣。并在此基础上将研究的结果应用在大子午扩张变几何涡轮上。其计算结果显示:蜂窝密封结构能够有效抑制间隙泄漏流动,减小间隙泄漏损失,而在大子午扩张变几何涡轮中端区优化结构对间隙泄漏流动也具有良好的抑制作用。并且变几何涡轮端区进行蜂窝密封结构处理后,其具有较高的全工况性能。     

叶顶开槽——小翼结构对提升轴流风机性能影响的数值研究

为了有效抑制叶顶泄漏流的发展,降低叶顶泄漏损失,针对两级动叶可调轴流风机提出在吸力面构造叶顶小翼并开设斜槽的新型叶顶改型方案。采用Fluent数值模拟了5种叶顶改型方案对风机性能和流场特征的影响,分析了不同方案下流场、叶顶静压、叶顶泄漏量和动叶区做功能力的变化。结果表明：吸力面小翼可有效降低叶顶损失,小翼上开设顺流向斜槽可进一步提高风机性能,逆流向斜槽会使性能略有降低;顺流向单斜槽为最佳改型方案,在设计流量下全压和效率分别提升166 Pa和0.942%;叶顶间隙处产生额外的涡流,叶顶泄漏流得到抑制,动叶区做功能力得以提升。     

进口热斑存在时叶顶间隙对涡轮效率影响的数值计算

利用非线性谐波法对某型燃气轮机2级涡轮进行了数值计算,对比研究了存在进口热斑时,叶顶间隙对带冠涡轮与不带冠涡轮气动效率的影响,并分析了带冠涡轮封严齿表面温度场分布受叶顶间隙影响的变化规律,与实验结果的对比验证了计算的可信性。研究发现:叶顶间隙小于0.24 mm时,不带冠涡轮具有更高的效率;带冠涡轮泄漏流一部分通过叶顶间隙流失,一部分受壁面剪切力作用形成涡团,以动能的形式耗散在叶冠容腔内;封严齿与机匣之间形成的高速射流与容腔内涡流相互作用,导致封严齿表面温度场分布不均;叶顶间隙为0.1 mm时,封严齿温度最高,在叶型设计改进时应重点考虑第一齿的冷却设计。所得结论可为涡轮叶片设计改型和进一步改进冷却方案提供理论依据和决策参考。     

周向弯曲方向对弯掠叶片小流量工况下气动-声学性能的影响

对周向弯曲低压轴流风扇的气动-声学性能进行了数值模拟和试验验证,讨论了不同流量和不同周向弯曲方向对叶栅做功能力、稳定工作范围和叶顶泄漏声源特性的影响规律.结果表明:随着流量减小,周向弯曲使叶栅叶顶区域栅的气流轴向做功能力增强,周向做功能力减弱,叶片负荷减小,周向后弯的效果最明显;周向前弯曲改善了端壁附近的流动状况,是拓宽叶轮的稳定工作范围的重要因素;周向弯曲可增加叶顶泄漏涡的稳定性,减弱叶顶泄漏涡区的Powell声源强度,周向前弯效果最好.叶顶泄漏声源特性随流量变化的规律与宏观声学表现一致.     

多工况下燃气轮机高压涡轮叶顶间隙对涡轮效率的影响

涡轮叶顶间隙影响涡轮气动特性。文中针对某型船用燃气轮机在慢车、0.35、0.50、0.85、1.00、1.05等多个工况,通过有限元计算,研究并分析了不同工况时涡轮叶顶间隙高度对涡轮效率的影响。结果发现当运行工况高于0.85工况时该燃气轮机涡轮叶片与机匣衬环发生碰磨;当工况不变时,控制高压涡轮叶顶间隙高度,发现叶顶间隙每增大0.2 mm,涡轮效率降低约0.4%左右,研究结果对主动间隙控制相关研究提供理论参考。     

周向弯曲方向对NACA65翼型轴流叶轮叶顶间隙流动影响

本研究采用三维气动设计方法设计了具有NACA65-810翼型的直叶轮、周向前弯和周向后弯叶轮,并采用计算流体力学软件模拟其气动性能,分析了压力峰值工况和设计工况下3个叶轮叶顶泄漏流和泄漏涡的空间发展和叶顶间隙部分静压损失以及熵分布。结果表明:直叶轮引入周向前弯后,叶顶泄漏流的卷吸能力降低,泄漏涡起源位置向远离叶片前缘的方向迁移,泄漏涡涡心径向高度得到了保持,降低了叶顶泄漏涡与主流的干涉作用;引入周向后弯后,泄漏流的卷吸能力增强,泄漏涡的起源位置向靠近叶片前缘的方向迁移,远离叶片前缘的涡心径向高度显著降低,涡核下游弥散范围扩大,增强了叶顶泄漏流与主流的干涉作用,不利于降低叶顶泄漏损失。     

抑制叶顶间隙泄漏的叶轮机械叶片的流场模拟

根据叶顶间隙流对叶轮机械的性能有重要影响这一特性,设计了一种叶片.该叶片顶部带有"燕尾冠",在叶顶的压力侧和吸力侧都形成"倒钩".通过对带有"燕尾冠"的叶片和一般的叶片的流场进行数值模拟,在同等条件下比较两者之间压气机的总体性能、流场特性以及叶顶间隙的泄漏量的区别,得到优化设计后的"燕尾冠"叶片能较好的保持住叶片表面的压力,削弱了叶顶间隙泄漏涡的产生和减少了通过叶顶间隙的泄漏量.数据结论为改进和提高叶轮机械的运转性能提供参考依据.     

带有自发射流的涡轮叶顶间隙流场PIV测量

为了探究叶尖射流对涡轮叶栅流场特性的影响,搭建了一个小尺度低速叶栅风洞实验台,利用粒子成像测速(PIV)技术对带有自发射流的涡轮叶顶间隙流场进行了直接测量,获得了低雷诺数(Re=6.46×103~3.23×104)下射流孔附近的流动图像及速度测量结果,展示了叶顶间隙内层流和紊流2种流态下自发射流与泄漏流的相互作用过程,揭示了低雷诺数工况下(涵盖层流到紊流的转捩)叶尖射流抑制泄漏流的作用机理及影响因素,并对叶尖射流尾迹中出现的类卡门涡街的涡分布现象进行了探讨.结果表明:叶尖射流的引入在泄漏流抑制方面取得一定收益,但同时也进一步加剧了叶顶间隙流动的复杂性.     

凹槽式叶顶流动换热的数值研究

针对叶尖间隙高度对凹槽式叶顶流动与换热的影响展开数值研究,评估4种湍流模型在叶顶换热方面的预测能力.结果表明：凹槽肩壁顶部、凹槽腔底部近前缘区域和叶顶尾缘为高换热区,凹槽腔底的中部和尾部区域为低换热区;不同湍流模型对叶尖间隙泄漏量预测差别很小,但泄漏流流动状态差异很大,这是造成不同湍流模型对叶顶换热预测存在重大差别的原因;在研究的间隙范围内,叶尖间隙泄漏量和叶顶换热强度随间隙高度的增大而增加;在所选的4种湍流模型中,k-ω模型是叶顶换热数值模拟较好的湍流模型选择.     

多级轴流超临界二氧化碳压气机气动性能研究

二氧化碳作为动力循环工质可获得更高的循环效率和部件紧凑性,应用前景广阔。基于给定参数设计了1台4级轴流式超临界二氧化碳(SCO_2)压气机,通过划分六面体网格,采用有限体积法及SSTk-ω湍流模型对其气动性能进行了详细分析,并对叶顶间隙的影响规律进行了研究。研究表明,由于流动加速和引射作用,叶顶间隙泄漏流造成了叶尖吸力侧流体温度和压力的下降,因此该区域可能会发生冷凝现象,并且叶顶间隙的增大进一步降低了该区域的参数,将会导致级效率和压比的降低。研究成果可为SCO_2压气机设计提供参考。     

基于SPOD方法的压气机转子叶顶区域非定常流动分析

为了研究叶顶区域非定常流动特性,对跨声速轴流压气机转子NASA Rotor37在多工况下进行了三维非定常数值模拟,采用谱本征正交分解（Spectral Proper Orthogonal Decomposition,SPOD）方法从叶顶区域流场中提取出时空耦合的单频相干结构进行分析。研究结果表明：相比于常规分析方法,SPOD方法能够高效地从非定常流场中识别出流动特征,有助于揭示叶顶区域流动规律;在“小流量”工况下叶顶区域流动呈现出强的非定常性,且随着质量流率的减小叶顶区域非定常流动增强、波动范围增加、波动频率呈现出“阶跃式”下降;造成叶顶区域流场非定常周期性波动的主要原因是叶顶间隙泄漏涡破碎区的扰动以及叶顶间隙泄漏涡破碎后与主流相互作用所形成的叶尖二次涡的波动。     

涡轮叶栅叶顶间隙冷气掺混数值模拟

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式计算方法,对一具有真实冷气孔形状的涡轮级叶顶间隙冷气掺混流场进行了全三维N-S方程数值模拟,分析了在1%和2%间隙下冷气射流与间隙流动相互作用的运动机理以及冷气射流对间隙和叶栅流场的影响。结果表明,冷气喷射使得泄漏流动速度降低,在小间隙下运动轨迹偏转以及气动参数的变化都非常明显,轮榖表面可以获得低温保护。在大间隙下叶顶表面获得更好的冷却效果。     

汽轮机动叶顶部间隙泄漏流动特性的数值模拟

以一个小展弦比轴流透平级为研究对象,采用数值方法对不同动叶顶部间隙情况下的间隙泄漏流动进行了分析,研究了间隙流和间隙涡的形成、发展及其对透平级性能的影响.以三维流线和极限流线为手段,分析了6种间隙尺寸下动叶顶部的泄漏流和泄漏涡造成的损失及其与主流掺混的过程.结果表明:动叶顶部间隙两侧压力面和吸力面之间的压力差使汽流从压力面被吸入间隙,跨过叶顶,进入相邻叶栅通道的吸力面,导致泄漏流动;与无间隙的情况相比,叶顶间隙的存在使上端壁处的流场发生明显变化,引起损失迅速增长;随着间隙的增大,泄漏涡的产生位置提前,强度增大,从而导致更大的流动损失.     

燃气涡轮篦齿叶顶流动传热特性的数值研究

以GE-E3型第一级叶栅为研究对象开展数值研究,基于高压涡轮常规凹槽叶顶提出新型叶顶结构。通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-ω湍流模型研究了篦齿结构和布局对叶顶流动传热特性的影响。数值预测的平叶顶的流场分布与实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。研究结果表明:篦齿叶顶可以有效降低中弦处的叶顶泄漏损失,篦齿形状对泄漏强度影响较小。此外,篦齿叶顶显著降低叶顶平均传热系数和热负荷,相比常规凹槽叶顶,前缘斜篦齿叶顶的平均传热系数降低了22.39%。在研究的新型叶顶结构中,倒梯形篦齿叶顶(I-TIP)具有最低的叶顶平均传热系数,梯形篦齿叶顶(T-TIP)具有最低的叶顶热流量,前缘斜篦齿叶顶具有最佳的气热性能。在叶顶凹槽前缘布置篦齿结构可有效降低叶顶换热系数。     

机匣处理对子午加速轴流风机扩稳的机理研究

为揭示叶顶间隙泄漏流动的演变趋势以及前置凸台机匣处理对风机的扩稳机理,采用CFD方法对风机内部流场进行了数值计算,获得了叶顶间隙泄漏流与风机非稳定工作状态的关联及前置凸台机匣处理通过控制主流和叶顶泄漏流,提高风机稳定工作范围的机理。结果表明:随着流量的减小,叶顶间隙泄漏流与主流的交界面不断向上游移动,叶顶间隙泄漏流在叶顶通道内造成的流动堵塞不断扩大,最终导致该风机进入非稳定状态;在小流量时前置凸台机匣处理通过对主流阻挡使部分叶顶泄漏流绕过叶片前缘在相邻流道内往下游流动,减小下游的阻塞区域,从而对风机内部的流动起到一定的稳定作用。     

某三级半压气机顶隙变化影响的数值研究

采用NUMECA软件FINE/Turbo模块对某三级半压气机热稳态模型在不同顶隙条件下的内部流场进行了数值模拟,给出了不同间隙对整级和各级气动性能的影响,计算结果表明:叶顶间隙的变化改变了压气机运行特性曲线,适当小的间隙可以获得更高的效率和压比,各级的特性匹配不佳,前两级匹配还有改进的余地.