舰船燃气轮机变几何动力涡轮通流特性的数值研究

基于叶轮机械三维粘性值模拟技术,本文研究了一个舰船燃气轮机四级变几何动力涡轮的通流特性及其气动性能,并分析了它的主要气流参数随可调导叶转动的变化规律。结果表明,可调导叶级的通流特性将决定整个变几何动力涡轮的气动性能。关小导叶可导致可调导叶级动叶处于较大正攻角而引起吸力面分离流动;反之,开大导叶导致相应的较大负攻角造成压力面分离流动。然而关小导叶引起的吸力面三维分离涡流场将导致变几何动力涡轮的效率更显著的下降。     

船用燃气轮机变几何动力涡轮大攻角流动特性的三维数值模拟

采用三维数值模拟技术,研究了可调导叶转动导致变几何动力涡轮气动性能变化的流场机理。结果表明,在较小的转角范围内,采用大转折角设计的可调导叶使涡轮处于大攻角运行。在大正攻角或大负攻角下可调导叶级动叶栅流道内的三维分离流场结构及其产生机理有很大差异,而且大正攻角造成的吸力面分离流动更使整个涡轮的效率显著地下降。通过系统的机理分析,提出可调导叶宜采用较小转折角的后部加载叶型,而变几何动力涡轮可调导叶级动叶栅要采用较大负冲角的气动设计原则。     

考虑动静干涉的多级透平叶栅大攻角流动特性的三维数值分析

采用全三维粘性数值模拟技术，利用由Menter基于κ-ω模型和κ-ω模型发展而成的BSL双方程湍流模型(Baseline Model)，采用“混合平面”方法传递级间参数，通过求解三维粘性可压缩Favre平均Navier—Stokes方程，对一个考虑应用变几何涡轮技术的舰船动力涡轮三维粘性流场进行了数值研究。变几何涡轮的显著特点是采用可调导叶技术，进而使其透平叶栅可能在大攻角范围内运行。由此通过多级计算，计及动静干涉效应和动叶顶间隙的影响，从而更准确地预测透平叶栅的大攻角流场特性，以期把握变几何涡轮技术的气动设计特点。     

基于流固耦合的变几何涡轮叶片传热特性研究

本文利用流固耦合数值模拟分析的方法,对某型船用燃气轮机涡轮可变几何导叶进行了气动与传热分析。在同一工况下,当导叶调整旋转角度分别为-3°、0°、+8°时,涡轮导叶叶片表面以及叶顶端区传热特性会发生改变。经计算发现:对整体导向叶片而言,叶片旋转轴所在的圆盘部位平均温度较低,圆盘所在区域的热应力分布相对较高;导叶旋转角度的变化不会从根本上改变流场及叶片表面的压力分布,但会改变泄漏涡发生的初始位置以及涡核的拓展区,从而降低了泄漏涡对压力损失造成的影响,由于固体叶片具有良好的导热特性,改变导叶角度不会大范围地改变叶片表面的温度分布及热应力分布。     

可转导叶级对多级轴流涡轮特性的影响

涡轮导叶可转给流量的调节提供了更大的自由度,同时也改变了涡轮的特性.本文利用本研究所长期积累和实践验证可靠性较强的变几何涡轮特性计算程序,对某典型发动机的四级动力涡轮可转导叶转动不同角度后的特性进行了计算和分析,获得了不同导叶级转角对动力涡轮特性影响的关系曲线.其中也分析了导叶可转后引起的端部间隙所带来的影响.计算分析表明:可转导叶的间隙损失会受到叶型几何角变化的影响,在导叶关小时的间隙损失高于导叶开大时的间隙损失;另外由分析可知,对于需要在大范围工况条件下稳定工作的涡轮来说,可以考虑采用多级导叶可转的机构.     

变几何低压涡轮级多工况气动性能研究

为明确变几何低压涡轮级在多转角工况下气动性能变化情况,通过RANS方法并结合SST湍流模型,研究了可调导叶转角分别为-6°,-3°,0°,3°和6°条件下低压涡轮级的气动性能变化。结果表明：可调导叶旋转角度的变化会明显改变导叶叶顶及动叶通道内的流动情况,角度变大会增加涡轮级流量,并使导叶叶顶处负荷后移,上端区二次流强度增加,叶顶泄漏情况减弱,还会减小动叶进口相对气流角,使动叶压力面出现明显分离;角度变小对低压涡轮级流场的影响与之相反。当导叶转角从-6°变化到+3°时,涡轮级等熵滞止效率提升了约6.7%;当导叶转角从+3°变化到+6°时,涡轮级效率却下降了约0.19%。     

带有可调导叶的径流涡轮气动特性的研究

采用数值模拟的方法对单级径向涡轮在导向叶栅的不同开度、不同工况下的全流场进行了三维模拟分析。研究表明,可调导叶对涡轮性能的影响是叶栅收敛度、气流冲角与出气角的综合影响。在综合考虑了导叶损失以及叶轮损失的基础上,提出了变几何径向涡轮随速比变化的调节方案。     

小偏差方法在变几何燃气轮机性能研究中的应用

为了分析不同涡轮变几何给燃气轮机性能带来的影响,基于小偏差方程提出了一种研究变几何燃气轮机性能的新方法。该方法的计算结果与特性曲线法的计算结果比较表明,新方法的计算精度在绝大多数工况下都可以保证在4%以内,如表2所示。采用该方法的计算结果表明,不同涡轮变几何可以得到不同的效果:高压涡轮和低压涡轮变几何可以很好地调节压气机的工作点,在燃气轮机改造过程中可以起到很重要的调节作用,动力涡轮变几何则可以更好地改善机组的变工况性能。     

燃气涡轮弯叶片特性研究

以燃气轮机涡轮第一级导叶为研究对象,借助数值模拟对涡轮导叶气动问题进行研究,针对于涡轮的工作特点,进行了多方案计算及对比,研究了不同弯扭叶片设计参数对涡轮叶栅气动性能的影响。结果表明:根部采用-15°弯角,即正弯15°,采用0.4弯高,即采用大弯高可以有效地降低端壁处低能流体的聚集,从而有效地降低横向二次流,采用上述弯叶片计算得到总压损失系数有所降低。     

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。     

调节级局部进汽对下游动叶气动负荷影响的数值研究

基于舰船用主汽轮机多工况、变转速、变参数的特点,应用商业软件CFX对具有3组喷嘴的复速级叶栅进行全周数值模拟,着重分析了调节级局部进汽对下游动叶气动负荷的影响,数值模拟结果表明,各个喷嘴组边界壁面的存在对流动具有较大影响,同时喷嘴叶栅Ⅰ的叶片型线的不同导致边界畸变对流动的影响更敏感。动叶叶栅的压力分布特点表明了尾迹低速区和主流低压区是形成动叶流动参数不稳定的主要因素,从而形成了叶栅内特有的非定常流动现象。     

某型汽轮机速度级流场气动性能的数值研究

对采用半寇蒂斯级设计思想、具有局部进气的汽轮机复速级,进行了三维整周数值模拟,分析了设计工况下该复速级第一级叶片的气动性能。计算结果表明,半寇蒂斯级非喷嘴区域内的压力远低于喷嘴区域的压力和平均压力,在喷嘴区域的边界部位出现由较高压力向较低压力的急剧变化。非进气弧段与进气弧段之间的压力差值相对较大。在非进气弧段的两端,动叶将承受方向相反的由于高压区向低压区气体流动形成的气动力矩的作用,这会导致下游叶片的压力分布发生明显变化。     

发动机氧涡轮喷嘴叶栅气动特性的试验研究

对一个用于大推力液体火箭发动机氧涡轮泵的复速级涡轮的喷嘴叶栅进行了试验研究，以考察喷嘴叶栅的气动特性，验证喷嘴叶栅的气体设计。该复速级喷嘴叶栅采用先进的后加载流动控制技术，以减弱叶机的二次流损失，对喷嘴叶栅进行了四个进气口流角，三个出口等熵马赫数条件下的平面叶栅吹风试验，测取了型面压力分布，出口气流角以及叶栅损失等重要气动特性参数，试验研究表明氧涡轮的喷嘴叶栅的设计是成功的，具有良好的气动特性，可以有效地应用于液体火箭发动机的涡轮中，本研究也为该类喷雾叶栅的设计提供了有用的实验数据和指导意义的结论。     

预弯对10MW级风力机叶片气动特性的影响

为分析预弯处理对10 MW级风力机叶片气动特性的影响,以DTU 10 MW风力机为例,采用CFD数值模拟方法,研究均匀来流不同风速下风力机的输出功率,并与BEM计算结果进行对比。同时,对比分析直叶片和预弯叶片风力机的功率特性、沿展向出力分布、沿展向不同截面翼型的流动特性。研究结果表明,直叶片各截面翼型的压力差较预弯叶片的大,做功能力较强。预弯通过对叶片的三维流动产生扰动,进而影响风力机的输出功率,且主要体现在叶片展向70%~90%的位置。研究成果可为风力机叶片气动性能的设计与优化提供参考。     

非定常脉冲爆震来流下涡轮气动特征仿真研究

脉冲爆震涡轮发动机是未来涡轮发动机的一种有潜力的发展方向。为了厘清具有强非定常性的脉冲爆震来流下涡轮的气动性能及流动特征,为脉冲爆震涡轮发动机涡轮的设计提供技术支撑,采用非定常进口总压与总温边界条件对某单级燃气涡轮开展了瞬态数值仿真计算分析。研究结果表明：由于进口来流的强非定常性,涡轮内部流动在爆震周期的前段时间并未完全建立起流动平衡,故进出口的流量不守恒;焓降功率与扭矩功率、焓降效率与扭矩效率不相等;在一个爆震周期内,动叶进口气流攻角的变化幅度达到40°,出口绝对气流角的变化幅度达到50°。在一个爆震周期中,只有约1/4的时间段涡轮的气动状态接近设计点,故一个爆震周期中涡轮的综合功率较低。     

排气蜗壳与轴流涡轮相互作用的气动性能研究进展

排气蜗壳是连接燃气轮机末级涡轮与大气的关键部件,同时也是进一步提高动力装置输出功率最有潜力的部件之一,其与上游末级轴流涡轮因紧密耦合而产生的流动复杂性和非定常性可对涡轮和排气蜗壳的气动性能产生较大影响。国内外研究大多集中于单独的排气蜗壳性能和优化,而对排气蜗壳与轴流涡轮之间耦合的相互作用研究很少。本文主要从排气蜗壳内流动和损失机理、涡轮和排气蜗壳之间流动的相互作用以及排气蜗壳和轴流涡轮耦合的数值研究方法等方面对排气蜗壳内部流场分布及其与轴流涡轮流动相互作用的气动性能研究进展进行综述,重点梳理了二者流动的相互作用以及相关研究方法。最后,对排气蜗壳与轴流涡轮气动性能耦合研究的未来研究重点和发展趋势进行了展望。     

一级半轴流式透平级内部若干非定常流动现象的试验研究

设计研制了具有亚音速透平高压级气动特性的一级半轴流式试验透平,采用试验方法对时序效应、叶栅壁面非定常静压幅频特性以及动叶出口非定常速度场进行了研究。结果表明:时序效应具有改善轴流式透平气动性能的潜力;动、静叶排压力有势场干涉引发的基频信号和上游静叶尾迹片段引发的两阶倍频信号,构成了第二列静叶壁面静压非定常分量的基本频率特征,其间还伴随高达六阶的倍频信号,主要由动叶尾缘高频脱落的涡街扰动产生;尚未完成掺混的第一列静叶尾迹片段出现在动叶出口,由其引发的负射流显著改变了动叶出口局部位置处的气流偏转角。     

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。