跨音速轴流压气机间隙泄漏流流动特性研究

间隙泄漏流对轴流压气机的旋转失速造成严重影响,通过对跨音速压气机 NASA 转子 37 进行单通道非定常及多通道非定常数值模拟,单通道非定常计算揭示,在近失速工况下,叶项存在间隙泄漏流自身非定常性,并且比较了两个不同背压条件下的非定常模拟结果,当出口背压较大的情况下,间隙泄漏流非定常性很不稳定,而当出口背压较小时,泄漏流非定常性稳定;多通道非定常数值模拟结果显示,在近失速工况下,当出口背压较大的情况下,间隙泄漏流非定常振荡,触发突尖型旋转失速先兆,具体表现为叶尖前缘间隙泄漏流溢出,而当出口背压较小的情况下,间隙泄漏流非定常性始终较为稳定.     

叶根变径倒角的设计与流动分析

为了研究倒角结构对流动的影响,采用数值方法对带有不同类型倒角的叶栅模型进行模拟,综合评估了各种类型倒角对于二次流结构的影响。从中优选获得较为优秀的"变径倒角结构",并详细分析了该结构对于二次流结构的影响。结果表明:选用合适的设计参数构建变径倒角能够减小前缘位置马蹄涡强度,使马蹄涡与通道涡发展受到抑制,使出口的总压损失系数下降5. 35%;变径倒角控制点位置及前缘倒角半径的选择对于流动结果有较大影响。     

两种径向间隙处理对1.5级高负荷轴流压气机性能影响的比较研究

采用数值模拟方法研究了机匣直沟槽处理和斜沟槽处理对压气机气动性能的影响,对两种处理方式下压气机各叶栅通道的熵产、涡量、回流范围和强度、静压分布、负轴向速度进行了定量计算和定性分析。结果表明：与光壁机匣相比,直沟槽和斜沟槽处理均使压气机的稳定运行范围拓宽了3%以上,直沟槽机匣处理压气机比斜沟槽机匣处理压气机的失速裕度更高,但绝热效率略低。     

倒角和间隙对跨音轴流压气机气动性能的影响

通过对一单级跨音速轴流压气机的流场进行数值模拟,研究了动叶根部倒角以及顶部间隙对流场气动性能的影响.结果表明:动叶叶顶间隙会造成顶部区域的通流阻塞并加重顶部分离损失,根部倒角会减小根部的气流折转角,降低做功能力,而且扩大根部分离区,减小根部流量,增大根部分离损失,因此为了提高数值模拟的准确性应考虑动叶叶顶间隙和根部倒角.     

来流边界层对跨声速压气机转子流场影响的研究

为了研究来流边界层对跨声速压气机转子气动性能及流场的影响,针对Rotor37进行了不同来流边界层进口条件下的跨声速压气机流场数值模拟。结果表明:来流边界层引起其内部的激波结构变化,进而影响60%叶高以上流场,造成该展向范围内的流量分布发生再分配;在来流边界层具有相同的厚度时,总压亏损越大,以60%～90%叶高激波损失为主体的附加损失越高;来流边界层弱化了叶尖泄漏涡系的强度,通过同时改变叶尖负荷和叶尖泄漏流来源流体能量影响泄漏强度,进而影响泄漏涡系的形成和发展。     

轮毂泄漏流对跨声速压气机转子性能影响的数值研究

为揭示转子前缘轮毂间隙泄漏流对高负荷压气机气动性能影响的物理机制，采用轮毂间隙边界条件模化处理方法，开展了轮毂泄漏流对跨声速压气机转子性能影响的三维定常数值模拟，分析了不同轮毂泄漏流量下压气机轮毂壁面流场结构与流态变化特征。研究结果表明：轮毂泄漏流会恶化压气机流通能力，影响程度随着泄漏量增加而逐渐增大。在近峰值效率工况下，当泄漏流量达到0.50%时，压气机流量约减小0.74%。当轮毂泄漏流达到一定强度后，反而呈现出部分正面效果，使得压气机压比或效率得到一定程度改善。轮毂泄漏流通过影响轮毂壁面流场结构空间分布来对压气机气动性能施加影响，尤其是鞍点的位置决定着轮毂间隙下游回流区和顺流区的影响范围以及轮毂壁面横向潜流强度。     

基于LES的压气机叶栅通道非定常流动结构研究

为了进一步理解压气机叶栅通道内的非定常流动结构,采用大涡模拟(LES)方法研究了来流附面层厚度和稠度变化对叶栅通道内涡系结构及总压损失系数的影响。研究表明：来流附面层增厚将导致端壁处流体的轴向动能降低,使得马蹄涡压力面分支更早地流向相邻叶片吸力面;来流附面层越厚,通道涡在叶栅尾缘沿展向抬升的高度越高,角区分离的范围也越大;叶栅的总压损失随附面层增厚而增加,附面层损失增加显著,二次流损失有所增大;稠度较低时叶栅吸力面表面存在分离,会对通道涡及角区分离产生影响;稠度增大,横向压力梯度减小,叶栅流道的速度分布更均匀,通道涡的强度和尺度减小,角区分离的范围减小;稠度增大使叶表不再分离时,总压损失显著降低,但稠度继续增大会使气流与叶片表面的摩擦损失增加。     

间隙变化对轴流压气机转子近失速工况叶顶流场的影响研究

为研究间隙变化对轴流压气机转子近失速工况下叶顶流场结构的影响,以轴流压气机转子Rotor37为研究对象,对其叶顶流场进行定常和非定常的数值模拟。计算结果表明：随着叶顶间隙的减小,压气机的总压比和等熵效率均有所提高,稳定运行范围扩大;2倍设计间隙下,叶尖泄漏涡经激波作用后发生膨胀破碎,堵塞来流通道,诱发压气机堵塞失速;0.5倍设计间隙下,吸力面流动分离加剧,发生回流,部分回流与来流在压力面前缘上游发生干涉,进口堵塞加剧,致使部分来流从前缘溢出,导致压气机叶尖失速;不同间隙下压气机失速过程的主导因素不同,大间隙下失速由叶尖泄漏涡破碎的非定常波动引起,小间隙下失速主要由流动分离引发的周期性前缘溢流所主导。     

轴流压气机非轴对称轮毂造型对间隙流控制研究

对带静子间隙的单级轴流压气机进行了全三维数值模拟,流场分析表明静子间隙泄漏流在通道端壁区引起较大的流动分离。为控制流动损失,对静子轮毂进行了非轴对称造型,造型后的压气机总性能得到改善。流场分析表明:非轴对称端壁造型改变了壁面静压分布,改善了间隙泄漏流在通道内的流动结构,消除了通道出口处的回流损失区,使压气机总压比增加,等熵效率提高0.9%。     

枞树型叶根间隙漏气对级性能影响的试验研究

隔板汽封间隙、叶根径向汽封间隙及枞树型叶根与轮槽间隙三者之间匹配设计对透平级效率及转子推力的大小有显著影响。文章针对某1000 MW高压末三级空气透平试验进行相关研究,保持隔板汽封间隙、动叶根部径向汽封间隙不变的条件下,对枞树型叶根间隙改变前后级性能的变化进行试验分析。试验结果表明,叶根间隙封堵后,透平级效率降低,根部反动度升高,转子推力变大。合理的枞树型叶根间隙的存在有利于提高级性能,汽轮机通流设计时应注意叶根间隙与隔板汽封间隙的优化匹配。     

跨音轴流压气机动叶的三维弯掠设计研究

对一单级跨音轴流压气机中的动叶分别进行了前掠和正弯设计的参数研究,并根据研究得到的弯、掠动叶气动性能变化规律对动叶进行了前掠和正弯联合的三维设计,同时对动叶中部截面的叶型进行了二维设计以弥补弯掠动叶中部性能的降低.最终设计的跨音级性能显著提高,级最大效率提高3%,失速裕度提高40%,同时压比有所增加.数值计算结果表明,前掠和正弯叶片都可以使叶顶激波位置移向下游,降低激波强度,减轻叶顶激波与边界层和泄漏涡的作用.弯掠动叶控制激波强度和端壁流动的能力更加突出.     

常用湍流模型对某低速轴流压气机转子叶尖泄漏流的预测研究

为了研究常用湍流模型对轴流压气机转子叶尖泄漏流的预测能力,对某低速轴流压气机进行了实验研究及数值模拟,对比分析了不同湍流模型预测的转子叶尖泄漏流的流场分布、旋涡特性以及堵塞特性与实验结果的异同。结果表明：对于转子叶尖泄漏流的旋涡特性,在近失速点,k-ω模型预测的转子叶尖泄漏涡轨迹的斜率和位置在周向上的分布以及泄漏涡涡核的面积与实验结果最接近;对于转子叶尖泄漏流堵塞特性,在堵塞系数达到峰值之前,BSL模型的预测结果与实验结果最相近,而在堵塞系数达到峰值之后k-ε模型的预测结果与实验结果最相近,虽然k-ω模型预测的堵塞系数在整个流向位置都偏高,但堵塞系数沿流向的分布规律与实验结果吻合最好。     

机匣处理对轴流式压气机性能的影响

本文介绍了均匀流场下实壁机匣和带机匣处理的单级和多级压气机的试验结果,分析了几种机匣处理结构改进失速裕度可能的机理。探讨了带机匣处理的单级和多级压气机失速裕度改进量存在差别的原因,为采用机匣处理扩大稳定工作范围提出了一些有意义的建议。     

轴流式旋风分离器结构与分离特性数值模拟

依据轴流式旋风分离器的基本结构建立分析模型,通过CFD-DEM耦合计算获得运行时内部流场主要参数以及颗粒分布,提取了影响分离性能的主要结构参数,研究其在不同粒径、不同进口速度下与分离效率和压降的关系,并给出了分离效率与各参数的拟合关系式。结果表明：叶片出口角和排气管直径对轴流式旋风分离器的分离效率有显著影响,随着叶片出口角减小,静压逐渐增大,切向速度增大,同时分离效率提高;排气管直径增大,静压减小,当其为分离器筒体直径的0.6~0.7倍时分离效果最好;流速为20 m/s时,对4 μm的颗粒分离效率可达到92.3%,10 μm及以上颗粒可实现100%分离;并使用加权方法给出了在粒径dp≥4 μm,进口风速为4~20 m/s的工况下适用的分离效率计算模型。     

给定通流部分形状时多级轴流压气机效率优化

用一维理论对轴流压气机的初步设计作进一步的研究。导出了多级轴流压气机特性关系，建立了在给定通流部分形状时最优化设计的数学模型，得到了解析关系，并以某三级压气机为例进行了数值计算，所得结论具有一定的普适性，对多级轴流压气机的初步设计有一定的指导作用。     

跨音轴流压气机气动设计与数值优化

介绍了带有进口导流叶片的三级跨音轴流压气机的气动设计与数值优化过程,气动设计采用准三维体系,包括一维平均流线设计、S2流面通流设计和任意中弧线叶片造型设计,并利用商用软件Numeca进行压气机流场分析.采用遗传算法结合人工神经网络的全局优化方法对第一级跨音动叶在多级环境下进行三维数值优化.结果表明:与优化前相比,优化后跨音级动叶叶尖的激波-边界层干涉损失明显降低,第一级动叶与三级压气机整机近设计点的绝热效率分别提高了0.87%和0.37%,压气机整机的质量流量、总压比、绝热效率和失速裕度均能够满足设计目标.     

轴流压气机叶片磨损位置模拟方法研究

采用气固两相流计算方法,对某型燃气轮机压气机实际工作环境中沙尘颗粒对压气机叶片磨损特性进行了全三维数值模拟研究,分析了叶片表面磨损位置的分布情况。研究表明：同级与不同级压气机叶片均呈现出明显的非均匀磨损特性,同级叶片的最大磨损浓度可以达到最小磨损浓度的2.9倍,不同级叶片的平均磨损浓度最大相差17.8倍;同一叶片上,颗粒对叶片前缘的磨损程度高于尾缘;随着转速的增大叶片的磨损率最大增加120%且非均匀性进一步增强。