油气混输泵静叶内部流场分析及优化设计

针对某一典型的油气混输泵,以设计工况下泵的增压和效率提升为优化目标,设计了不同进口安放角的静叶,基于FLUENT软件,采用RNG k-ε模型、SIMPLEC算法对装配不同静叶的单级油气混输泵模型进行数值模拟,得出静叶区域内的压力分布,并分析出不同含气率下不同进口安放角的静叶叶型和混输泵增压及效率之间的关系。结果表明:随着静叶进口安放角的增大,混输泵的增压能力和气液混合能力呈现出先增大后减小的趋势,叶片背面产生低速脱流区的起始点逐渐向进口方向移动;较小的进口安放角使得动静叶交界处流速和压力的不均匀性增加。研究结果对混输泵静叶设计及优化提供了理论参考依据。     

轴向间距改变对压气机clocking效应影响的数值模拟

采用一种新型的环面叶栅计算方法对两级低速压气机中径处的非定常流动情况进行了数值模拟,针对第二排静叶在一个栅距内的8个不同的时序位置下,同时移动动叶在轴向相对位置,通过数值计算结果表明:在两级静叶间轴向间距不变的情况下,动叶的轴向位置对上游静叶尾迹输运过程有显著影响,在三个CASE计算中,动叶后移时,压气机效率整体最高.轴向间距的缩短对提高整机效率有益.此外环面叶栅计算结果跟平面叶栅结果总体上趋于一致,最高、最低时序位置也相同,但流场信息更为丰富合理;相对于通常的单流道计算,环面叶栅方法更能全面反映全流道周向流动情况,从而为叶轮机械设计及前后叶排间相互干涉研究提供理论依据.     

大型火电机组轴流风机运行特性及内流特征的数值模拟

应用流体计算软件Fluent对某600MW大型火电机组配套的SAF两级动叶可调轴流引风机的内流特征及运行特性进行模拟分析。研究表明:正常状态下风机内静压沿轴向先增大后减小,动压仅在扩压器区及集流器区出现较大变化,动叶轮的升力作用主要转化为流体静压,全压的增加则主要来自静压的增大;风机动叶出口截面总压呈现高压区与低压区交替出现的周向对称性分布,但第二级动叶出口总压分布的对称性要比第一级的差;叶片压力面与吸力面间的静压差沿叶高方向逐渐增大,表明叶片中上部的做功能力较强;相同流量下随着动叶安装角的减小,叶片压力面与吸力面速度变化梯度减小,做功能力减弱,风机的全压升逐渐减小。     

高压涡轮动叶气膜冷却的数值模拟

为研究旋转造成的非稳定性对高压涡轮动叶气膜冷却的影响,建立了3维涡轮叶栅通道模型,应用周期性边界条件数值模拟了不同转速下涡轮动叶表面气膜冷却效率和换热系数的分布,冷气进口与涡轮前总压比为1.07,温度比为0.5。转速增加,叶片前缘滞止线从压力面移向吸力面,气膜出流从吸力面移向压力面;压力面气膜冷却效率上升,换热系数下降;吸力面冷却效率先上升后降低;换热系数下降。与静止相比,旋转不稳定性增大了叶片表面气膜覆盖面积。     

多级离心泵叶轮与流道式导叶的匹配特性

本文对多级离心泵设计了流道式导叶,采用Spalart-Allmaras湍流模型对设计结果进行数值模拟。通过对流道式导叶几何结构的调整,探讨了叶轮-导叶间隙、导叶进口方式及级间密封对离心泵流动性能的影响。经过分析得到了以下结论:导叶进口直径为叶轮出口直径的1.027倍时与叶轮匹配较好;导叶进口宽度的减小在小流量工况下存在优势;对导叶进口进行斜切处理可以有效消除密封通道对水泵造成的影响,同时提高了大流量工况下的水力性能,设计点效率提高0.65%,扬程提高1.30%,分析结果为离心泵流道式导叶与叶轮匹配设计提供理论指导。     

基于CDA的多级轴流压气机优化设计研究

轴流压气机是大型燃气轮机的重要部件。然而由于端壁附面层的影响,多级轴压气机的后面几级静叶上端壁会出现流动分离现象,造成上端壁区域的流动阻塞,使得压气机的通流能力降低,从而流动损失增加。文中针对一多级轴流压气机的末两级,采用CDA对动静叶进行优化设计分析。数值研究表明,经优化设计后,能够有效改善端区的流动情况,提高压气机的通流能力,提高压气机的效率及增压比。这对轴流压气机的优化设计具有一定的借鉴意义。     

大弯角扩压叶栅吸力面吹气的研究

为了实现扩压叶栅内的大角度折转,通过数值模拟的方式,研究吸力面吹气在大弯角静叶栅内的作用机理。结果表明,吸力面吹气有助于提高扩压叶栅的扩压能力和气流折转,但相较于附面层抽吸,这种流动控制能力十分有限。不同于附面层抽吸,吸力面吹气对吹气方向十分敏感,推荐尽可能使得所吹出的高速空气紧贴于叶片壁面。     

燃气涡轮静叶表面气膜冷却效率实验研究

采用放大的燃气涡轮静叶模型,利用大尺度叶栅风洞进行实验,测量了涡轮静叶表面完全气膜覆盖下气膜冷却特性。风洞实验段由三个叶片组成,中间叶片为实验叶片,由有机玻璃制成。对叶片前腔和后腔表面换热情况分别进行实验,主要研究了不同主流雷诺数及不同质流比对气膜冷却效率影响。研究结果表明:气膜对前腔壁面冷却效果总体上优于后腔壁面,在叶片不同区域气膜冷却效率变化规律有所不同。     

动静干涉下低压涡轮非定常气动载荷研究

为研究动静干涉下轴向间距和尾缘锯齿结构对低压涡轮叶片非定常气动载荷的控制作用,对高效节能发动机(energy efficient engine,简称E3)低压涡轮最后一级的内部流场进行了数值仿真,研究了不同轴向间距和静叶尾缘锯齿结构两种情况下,下游动叶表面非定常气动载荷的变化规律。研究发现：增大轴向间距可以加强尾迹与主流的掺混,消除气流不均匀性,削弱下游动叶表面的非定常气动载荷;静叶采用尾缘锯齿结构不仅可以加强尾迹与主流的掺混,同时还会改变尾缘处的涡结构,对下游动叶前缘产生破坏性干涉效应,使其最大载荷波动降低约30%,减少静叶尾迹速度亏损75.7 m/s,还能适当提升涡轮的流通能力和时均效率。与采用直尾缘静叶的模型相比,采用锯齿尾缘静叶不仅能大幅度地改善涡轮的转静干涉效应和气动性能,还能在不影响涡轮效率的前提下,将涡轮轴向间距缩短10%。     

某热电厂空冷200MW汽轮机改造

通过采用新型调节级静叶栅、高压静叶栅、叶顶汽封、710mm末级叶片对机组进行改造,电厂运行效果明显,汽耗和热耗均有不同程度地下降,在主蒸汽量不变条件下,出力得到了提高。背压适应范围扩大为4．5—34kPa,机组经济性达到国内同类型机组先进水平,可以保证夏季满发和机组的供热要求,全年安全运行。     

基于CFX正交试验的深井离心泵导叶的优化设计

为提高深井离心泵的水力性能,针对100QJ16型深井泵,按照L9(34)正交表,选取空间导叶的进口冲角、包角、叶片出口安放角和叶片数等4个因素,每个因素取3个水平,设计出9个导叶模型,并分别与同一个叶轮装配。基于CFX软件,对两级模型泵进行了全流场数值模拟,获得9组方案在额定工况下的扬程和效率。采用极差分析法分析了各几何参数对扬程和效率的影响规律以及影响空间导叶性能的主要因素和次要因素。空间导叶进口冲角和叶片包角对两级泵的扬程和效率的影响较大。将优化方案进行了样机试验,其效率达到了设计要求。     

渐变倒棱PCBN刀具设计制造及磨削精度检测

刀具刃口上的定值倒棱能够提高刀具刃口强度、延长刀具寿命,但也会使切屑积聚,增大了切削阻力和切削区温度。为改善硬态切削过程中的排屑散热、降低切削阻力,提出渐变倒棱PCBN刀具结构;建立刀具刃线的数学模型,并对所建立的模型进行了数值模拟;针对渐变倒棱PCBN刀具的特征,结合端面磨削方式和化归思想,提出了逼近式磨削轨迹规划方案,通过轨迹仿真和磨削试验优选了磨削次数,实现了渐变倒棱刀具的精确磨制;提出了渐变倒棱刀具刃口缺陷、倒棱宽度和角度等参数的精度检测方法,完成了所开发刀具磨削精度的定量评价。磨削精度检测结果表明,刃口半径、倒棱宽度和角度的磨削值接近于设计值,符合精密磨削要求和硬切削加工要求。最后通过对比试验完成了对所设计刀具切削性能的验证。     

离心压缩机叶轮内部流场的数值模拟

利用Fluent软件建立叶轮轴向截面流道内流体模型，采用simple算法进行仿真计算，取不同的叶轮出口角和进口角的叶轮来进行模拟，得出不同几何结构的叶轮的内部流场的速度、雷诺数和压力的变化规律，找出了最优的几何结构，进而提高了离心压缩机的效率。     

进口气流角对跨音速压气机气动性能的影响研究

以某燃气轮机1.5级跨音速压气机为研究对象,利用NUMECA软件计算了该压气机在不同进口可转导叶摆放角度情况下跨音速压气机的气动性能。研究结果表明:随着进口气流角的增大,流量-效率曲线和流量-压比曲线均向流量减小的方向平移,相同流量下,进口气流角增加,效率增大,但压比减小;在设计流量工况下,随着进口气流角的增大,来流相对马赫数减小,激波强度减弱,并向尾缘迁移,激波后附面层分离流动改善,压气机损失减小。     

高效高负荷高通流能力轴流风机气动设计参数选择与三维叶片技术

为探讨高效高负荷高通流能力风机的关键气动设计技术及其内部流动机理,本文完成了一台压比为1.20,载荷系数为0.83的轴流风机设计。详细研究了流量系数、反力度等设计参数的影响规律,并给出了相应的选取原则;分析了叶片负荷调整、叶片弯曲、叶片端弯对叶栅内流动、级匹配、级性能的影响,给出了高负荷轴流风机三维叶片设计的基本原则;此外,本文还开发了S1流面协同优化方法,有效地降低了静叶损失,提高了风机裕度。     

叶轮进口宽度对液力透平性能的影响

针对叶轮进口宽度对液力透平性能影响规律的认识不足问题,建设了一开式液力透平实验台,对一单级液力透平进行了实验研究,得到了该比转速液力透平的外特性曲线。采用结构化网格技术对液力透平进行了全流场数值计算与分析,数值与实验相结合,验证了数值计算的准确性。对不同进口宽度透平叶轮的数值计算结果分析表明,随着透平叶轮进口宽度的增加最高效率点向大流量偏移,大流量时的效率逐渐增加;对于一定几何参数组合的液力透平,存在最佳叶轮进口宽度使液力透平最优工况点效率最高;透平的流量扬程曲线随叶轮进口宽度的增加变得更加平坦;透平的轴功率变化相对较小。     

冲压泵叶轮与导叶匹配关系的研究

冲压焊接泵在我国广泛应用于工业、农业、医疗以及生活等各个领域,其中叶轮与导叶之间的匹配关系是研究设计冲压泵的核心问题之一。通过数值模拟研究,分析多级冲压泵叶轮导叶间的匹配与泵性能效率之间的影响,结果表明冲压泵的叶轮出口边与轴向之间有夹角可以提高泵的效率,且夹角θ取值在30°～40°范围内时,泵的效率较高;导叶叶片数增加,导叶出口处圆周速度分量的峰值随之逐渐降低,在一定范围内,叶片数增加的越多降速增压效果越好。本研究为优化冲压泵结构、提高冲压泵效率及性能提供部分参考建议。     

十级高压压气机气动方案设计的优化

对HARIKA程序进行改进,创新性地修正了效率模型并引入Koch失速静压升系数模型,采用E3十级高压压气机气动特性试验数据验证此改进HARIKA程序,结果表明改进HARIKA程序对压气机100%转速失速边界的预估精度达到了99%。采用NSGA-II多目标遗传算法进行气动方案设计优化,优化后的方案与初始方案相比设计点的总效率提高了3.4%,喘振裕度提高了6%;通过调节进口导叶和前五级静子叶片的安装角,使得优化方案在非设计转速下的特性也得到了提高。     

压气机平面叶栅试验台中尾板调节的数值研究

针对压气机平面叶栅试验台中尾板影响叶栅出口流场周期性的特征,以包含高亚音静子叶栅的全尺寸叶栅试验台为研究对象,数值研究了尾板长度和角度改变时叶栅出口流场的周期性变化情况。结果表明：相同叶栅进出口压比情况下,尾板越长,叶栅进口马赫数越高;在高亚音马赫数进口情况下,不同进气攻角下的压气机叶栅流场在不同尾板长度下都保持较好的周期性;在较低亚音马赫数进口情况下,选取较长尾板并进行角度调节有利于改进不同攻角下叶栅流场的周期性。     

端壁附面层抽吸对扩压叶栅变冲角性能影响研究

本文以跨声速扩压叶栅为研究对象,采用数值模拟方法,研究了附面层抽吸对扩压静叶叶栅角区分离流动控制效果和机理。为探究不同抽吸方案对叶栅角区分离的影响以及对叶栅变冲角性能影响,在上端壁处开设流向槽进行抽吸。结果表明附面层抽吸能有效降低叶栅流动损失,提高附面层动能,避免低能流体过早分离,减小角区损失。随冲角增大,叶栅通道内二次流流动加剧,角区分离严重且分离提前。附面层抽吸能控制端壁低能流体向吸力面迁移的能力,明显改善静叶叶栅气动性能。