带叶尖自发射流的平面叶栅流场特性数值研究

通过数值求解三维定常黏性雷诺时均N-S方程,获得了叶尖单孔自发射流条件下的叶栅流场,分析了自发射流与泄漏流的相互作用,比较了有、无自发射流条件下叶尖泄漏及载荷分布,探讨了端壁相对运动速度对自发射流抑制泄漏流有效性的影响.结果表明:叶尖射流在其下游形成的扇形低速区占据了部分泄漏流通道,由此对泄漏流产生一定的抑制作用,同时对叶尖吸力面载荷分布产生影响;与无叶尖射流相比,当进口雷诺数同为5.764×105时,叶尖自发射流的存在使泄漏比相对值降低5.42%,单个叶片载荷增加1.41%.     

端壁射流对高压涡轮二次流损失影响研究

为了研究端壁射流对端区二次流动的控制效果及作用机理,以GE-E3高压涡轮为研究对象,采用数值模拟的方法,在涡轮进口总温为711 K、总压为345 951 Pa、出口静压为89 177 Pa和动叶转速为8 279 r/min的条件下,分析射流位置、角度及射流比等参数对控制效果的影响.结果表明:端壁射流能够有效组织涡轮内部...     

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.     

自发射流耦合凹槽抑制涡轮叶尖泄漏的数值研究

为了探究复合被动结构对涡轮叶栅流场特性的影响,进一步减小涡轮叶尖泄漏量,建立了自发射流耦合叶顶凹槽的数值计算模型,采用正交试验法优化了射流参数,得到最优射流参数组合为A1B1C1,即间隙高度为0.5mm、射流角为30°、射流偏转角β为0°。在此基础上,将自发射流与叶顶凹槽进行耦合,结合间隙内流线、速度及平均总压损失系数分析了耦合结构下的泄漏流场特性。结果表明:当凹槽宽度与叶高比值(w/h)较小时,自发射流与叶顶凹槽耦合时存在最佳凹槽深度,即w=5%h,凹槽深度d=1%h,耦合结构较纯自发射流的间隙内部损失更大,叶尖泄漏量更小,泄漏抑制效果更优;当w/h较大时,耦合结构的泄漏抑制效果恶化,甚至较纯自发射流差,这种效应随着d/h减小更为明显。     

燃气轮机透平叶片传热和冷却研究:端壁冷却

在现代低展弦比燃气透平设计中,端壁的换热与冷却问题随着透平进口温度的不断提高已经变得至关重要。综述了国内外有关透平端壁气动、换热与冷却方面的研究进展,特别展示了端壁冷却研究领域一些最新的典型研究成果,并基于目前的研究发展趋势指出:在端壁的换热与冷却技术研究领域,新型气膜孔和端壁的改型设计将得到进一步的研究;兼顾端壁换热冷却和气动性能的多目标多学科优化问题将是一个具有挑战性的研究重点;此外端壁的复合冷却技术及其相关的流热耦合换热研究将为端壁的高效冷却设计提供重要支撑。     

动叶轮缘泄漏对非轴对称端壁端部损失及冷却的作用

应用数值方法研究了单级涡轮轮缘泄漏对动叶非轴对称端壁端部二次流损失及冷却效果的影响,得到了不同封严冷气质量流量比(MFR)下的叶栅内部流场特征,并与轴对称端壁模型进行对比。结果表明:轮缘泄漏吹扫使得非轴对称端壁对气流偏转的改善作用削弱;当冷气量从0.4%增大到1%时,相比于轴对称端壁模型,应用非轴对称端壁所产生的轴向涡量减小量从11.02%下降到了5.65%,非轴对称端壁的效果明显减弱;封严气流在动叶非轴对称端壁表面形成了三角形的气膜冷却区域,但绝热气膜有效度在流动的周向以及轴向方向上较轴对称端壁均有一定程度的减小,主要发生在叶片吸力面角区以及压力面侧马蹄涡的偏转路径上。     

冷气孔流量对叶尖泄漏流动影响的研究

为研究冷气孔流量对涡轮叶尖泄漏流动的作用,采用数值模拟方法对比分析冷气流量比在0.05%～3%之间的三维流场和总压损失情况。结果表明：叶尖冷气可以有效地减小泄漏量和叶尖泄漏流动带来的总压损失,泄漏量下降达80%,总压损失峰值下降达38.2%;随着流量比的增加,叶尖冷气对叶尖主流泄漏流动的抑制效果不断增强,由主流带来的泄漏量不断减小;叶尖冷气也带来了新的总压损失,整体总压损失随着流量比的增加不断增大。叶尖冷气对叶尖泄漏的抑制模式分为3种：流量比在0.05%～0.1%之间,以降低主流泄漏流的能量减弱泄漏流动;流量比在1.25%～3%之间,以在叶尖区域形成完整的气膜屏障抑制主流泄漏流动,流量比在0.1%～1.25%之间,上述两种模式同时存在;流量比为1.25%时,冷气在叶尖区域形成一道完整的气膜屏障,阻碍主流流体形成泄漏流。     

端壁相对运动对压气机叶栅间隙流场影响的数值模拟

压气机端壁与叶片间的相对运动是影响叶顶间隙气流流动的重要因素.采用数值模拟的方法考察了端壁运动对不同叶顶间隙压气机叶栅内三维流场的影响.结果表明:端壁相对运动改变了叶栅间隙流场结构,叶栅通道内出现向相邻叶片压力面运动的刮削泄漏涡,上通道涡及叶顶分离涡受到抑制,叶尖负荷增大,间隙泄漏流量增加,叶栅总损失由于叶顶区掺混损失减少而减少.     

端壁收缩对环形叶栅气动性能影响的数值研究

采用数值计算软件Numeca模拟了汽轮机低展弦比端壁收缩喷嘴中气动性能和二次流涡系的发展,并与相同边界条件下的平直端壁喷嘴比较,得到了端壁收缩对流场性能的影响.结果表明:在端壁收缩喷嘴中,较大的进口面积使得马蹄涡发展较弱,顶部区域显著的后加载特性更进一步抑制了顶部通道涡的发展,因此通道涡尤其是上通道涡的尺度和损失均较小.同时,顶部收缩导致了顶部气流出气角增大和根部出气角减小,虽然变化幅度不大,但是气流角沿叶高的分布更加均匀,对下排叶栅内的流动更加有利.另外还计算了不同高度收缩比喷嘴流动,给出了高度收缩比对叶栅流动的影响.     

栅前端壁射流抑制二次流的数值研究

基于射流的主动流动控制方法,在透平叶栅端壁前缘位置开设射流孔.通过数值模拟分析了射流孔位置、倾斜角、俯仰角和动量系数等因素对前缘马蹄涡以及流动损失的影响.结果表明:在前缘马蹄涡流动分离线上布置射流孔以及倾斜角方向与射流孔所在位置的近端壁极限流线保持一致的情况下,射流孔俯仰角为4 0 °、动量系数为0.1％时总压损失系数...     

Numerical Investigation of Influence of Tip Leakage Flow on Secondary Flow in Transonic Centrifugal Compressor at Design Condition

In a centrifugal compressor, the leakage flow through the tip clearance generates the tip leakage vortex by the interaction with the main flow, and consequently makes the flow in the impeller passage more complex by the interaction with the passage vortex. In addition, the tip leakage vortex interacts with the shock wave on the suction surface near the blade tip in the transonic centrifugal compressor impeller. Therefore, the detailed examination for the influence of the tip leakage vortex becomes seriously important to improve the aerodynamic performance especially for the transonic centrifugal compressor. In this study, the flows in the transonic centrifugal compressor with and without the tip clearance at the design condition were analyzed numerically by using the commercial CFD code. The computed results revealed that the tip leakage vortex induced by the high loading at the blade tip around the leading edge affected the loss generation by the reduction or the suppression of the shock wave on the suction surface of the blade.     

汽轮机叶片正弯对叶顶间隙泄漏流动影响的数值模拟

以某汽轮机高压级动叶为研究对象,采用κ-ε湍流模型,应用SIMPLEC算法对在相同叶顶间隙高度下的常规扭叶片和正弯扭叶片的叶顶间隙流动进行了数值模拟。研究结果表明:与常规扭叶片相比,叶片正弯提高了汽流在叶顶区的最低压力值,减小了叶顶压力边与吸力边的横向压力梯度;汽流在正弯扭叶片吸力面附近形成的泄漏涡的影响范围和对通道主流的扰动弱于在常规扭叶片内形成的影响;正弯扭叶片使汽流在吸力面和压力面上形成了叶顶部正径向压力梯度、叶根部负径向压力梯度的"C"型压力分布,同时降低了叶片上端部附近的总压损失。叶片正弯既降低了叶顶泄漏损失,又降低了叶栅通道内的掺混损失。     

带小翼肋条的涡轮叶尖泄漏流场的数值模拟

对叶尖吸力面带小翼肋条的某一轴流转子叶尖间隙泄漏流场进行了数值研究,分析了在不同肋条宽度下泄漏流场细节,并对涡轮效率进行了计算.结果表明:涡轮叶尖单吸力边小翼肋条总体上减小叶尖表面压差,使得吸力面后半部分泄漏流速度减小,从而减小泄漏流动损失,但会增大通道内流动损失,使涡轮转子效率下降;小翼肋条宽度有一个最佳值,小间隙下增大肋条宽度使得涡轮转子效率降低,大间隙下增大肋条宽度却使得涡轮转子效率提高;吸力边小翼肋条改变了叶尖吸力边附近的流场,对压力边附近泄漏流动结构影响不大.     

轮毂封严对涡轮端区流动影响的数值研究

为了研究轮毂封严对涡轮端区流动的影响,对转/静叶片之间带有封严腔的某单级涡轮进行三维定常数值模拟。结果表明,封严流量对涡轮效率影响较大,2.0%的封严流量使涡轮级效率降低约1.6%;封严气流受到转子前缘位势场的影响,与主流在径向上存在着动量差,两股气流在转子进口处相互剪切形成剪切诱导涡。剪切诱导涡对轮毂通道涡的贡献较大,是端区二次流损失的主要来源。采用与转子旋转方向相同的喷射方向并增大喷射角度对减小攻角损失以及封严气流与主流的掺混损失是非常有利的。     

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.     

涡轮叶尖间隙流动的数值模拟

采用基于雷诺平均N-S方程的三维CFD计算程序,并结合Spalart-Allmaras-方程或κ-epsilon双方程湍流模型加壁面函数的方法,对涡轮平面叶栅和涡轮级转子的叶尖间隙流场进行了数值计算,详细研究了不同叶尖间隙高度、不同叶尖间隙形式和叶尖间隙有冷气入射时其对涡轮叶尖间隙流场和性能的影响.计算结果表明:叶尖间隙对从大约70%叶高到叶尖位置的叶片损失具有明显的影响;在同样间隙大小情况下,余高间隙叶片等熵效率比平间隙叶片等熵效率约提高了一个百分点;而叶尖间隙有冷气入射时涡轮的等熵效率要比无冷气入射时的等熵效率约提高两个百分点.     

基于耗散函数的叶顶泄漏流动非定常数值模拟

更进一步的改善间隙泄漏流动需要对其复杂的流动结构作深入的认识，若不能给出间隙泄漏流动影响更真实的表述将导致对其研究无法进行。为了更深入的认识涡轮叶栅流动粘性耗散的细节及分布，作者采用商用N-S求解器对具有动叶顶部间隙的涡轮级非定常流场进行了数值模拟和研究。本文引入耗散函数对间隙泄漏流动的粘性耗散进行评估，这种方法是对粘性影响带来的粘性耗散的最简单也是最直接模拟和计算方法。