小容积流量下汽轮机末级叶片流场特性分析

借助商用计算流体动力学软件CFX,选择入口质量流量不变,改变出口背压的方式,对不同容积流量下某大型汽轮机低压缸末级进行了全三维黏性定常流动的数值研究,全面分析了低压缸末级的流动特性。结果表明:在背压10k Pa(相对容积流量k=0.52)下,末级动叶10%叶高截面受逆压梯度的作用,在吸力面近尾缘区域开始发生流动分离,并随着流量的进一步减小,逐渐发展形成回流涡。背压升高到15k Pa(k=0.36)时,负攻角首先导致末级动叶50%叶高截面前缘区域发生流动分离,随着流量的进一步减小,流动分离产生的涡逐渐增大;90%叶高处由于扭转角度较大,负攻角的作用一直不大,但是压力升高到25k Pa(k=0.23)时,开始受到静叶扩压和动叶离心力产生的叶顶涡的影响,流场比较混乱。从15k Pa(k=0.36)开始,由于静叶扩压和动叶离心力影响,动静叶叶顶出现漩涡,后随压力升高逐渐增大,同时由于动叶旋转离心力造成的径向压力梯度,叶根尾缘区域也出现漩涡,并随压力升高向流道前部发展。     

叶片根部改型对风力机性能影响的研究

为研究叶片根部改型对风力机性能的影响,采用SST k-ε湍流模型对改型前后的风力机叶片进行三维流场数值模拟研究。通过分析叶根区域流场和压力分布可知:根部改型可改善叶根区域的流动形态,减小叶根的失速分离区,能有效控制分离涡的发生位置,提升叶根的气动效率;根部改型可改变叶根区域叶片表面的压力分布,加大叶根部位上下面压差,从而提高叶根转矩,使风力机出力增加;根部改型后,风力机的功率最大提升2.13%,增幅明显。     

汽轮机动叶叶根倒角气动优化

采用可考虑叶根倒角影响的叶片三维设计平台,对某一汽轮机高压级动叶倒角半径进行优化设计。将寻优结果与其他样本对叶片流场的影响进行比较,分析了叶根倒角半径对近壁面二次流动和流动损失的影响。结果表明倒角半径的增加在一定程度上对通道涡有削弱作用,但同时会增加附面层损失;倒角半径对前缘附近的流动影响分析结果表明:增加倒角半径会抑制马蹄涡的产生。因此,合理地选择倒角半径将有利于降低通道内二次流损失。     

某压气机进口级流动损失及静叶流场分析

采用三维雷诺平均N-S方程求解方法,对某燃气轮机压气机进口级流动进行模拟,研究了峰值效率点及近失速点的性能及流动特性,探索叶片通道中引起高损失的原因,分析了静叶通道内复杂的流动结构及吸力面角区分离的产生机制。结果表明:当该压气机级向近失速工况推进时,静叶中的能量损失较导叶、动叶增长更快;静叶下端壁大范围低速流体是损失的主要来源;通道涡及泄漏涡是静叶通道内主要二次流,其共同作用造成大面积总压损失;近失速工况下沿流向和展向的逆压梯度增大且二次流增强,导致静叶吸力面下端壁角区分离现象的出现。     

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.     

涡流发生器对潮流能水轮机叶片流动分离特性影响研究

当来流速度过大或在大攻角来流工况下,潮流能水轮机叶片边界层会发生流动分离,导致获能效率降低,甚至会使叶片发生失速破坏。针对上述问题,该文将涡流发生器（VGs）理论与水轮机叶片设计相结合,开展VGs对潮流能水轮机叶片流动分离现象的抑制机理研究。以NACA63418翼型设计的潮流能水轮机叶片为研究对象,分别建立带和不带VGs的叶片三维模型,应用CFD方法研究VGs对潮流能水轮机叶片的流动分离特性影响。结果表明：水轮机叶片流动分离主要发生在吸力侧表面叶根部分,随着流速的增大会沿叶根向叶尖径向扩展;VGs能有效减小水轮机叶片吸力侧表面分离区域,抑制流动分离现象发生;在该研究中,安装VGs后水轮机叶片整体获能性能提升明显,获能系数增加0.5%~5.0%,且能增加潮流能水轮机运行稳定性。     

小容积流量下汽轮机末级流场涡流特性研究

随着火电机组灵活性深入,汽轮机组深度调峰成为研究重点。汽轮机组深度调峰将使末级叶片长时间工作在小容积流量工况下,对末级叶片的运行安全有重要的影响。应用计算流体动力学软件CFX计算末级流场,应用速度三角形理论算法进行验证,分析了小容积流量工况下汽轮机末级流场的涡流特性。结果表明:20%设计工况下(0.20DCF),末级达到鼓风工况。鼓风工况下,末级通道存在由分离涡、回流涡、动静间隙涡组成的涡系。分离涡位于动叶压力面,回流涡位于动叶吸力面尾缘根部,动静间隙涡位于动叶和静叶顶部间隙处。随流量减小,涡流区域均增大。小容积流量工况下动叶出口和静叶出口先后产生逆压区,逆压区是回流涡和动静间隙涡形成的根本原因。负冲角是分离涡形成的根本原因,而在叶片顶部,由于大的扭转角,流动分离减弱。     

汽轮机叶顶间隙内非定常流动的数值分析

为了分析叶顶间隙泄漏涡的影响范围、运行轨迹和强度的变化规律,以某汽轮机高压级为研究对象,采用SSTκ-ω湍流模型,应用PISO算法对叶项间隙内的非定常流动进行了数值模拟．结果表明：叶顶间隙泄漏流是有规律的周期性的非定常流动,泄漏涡的影响范围、运行轨迹和强度随时间和叶顶间隙的变化而变化;泄漏流对主流的影响呈现出从弱到强、再从强到弱的周期性变化规律;叶顶间隙泄漏涡在丁／4时刻的强度和影响范围均达到最大,在T／2时刻,静叶脱落涡和动叶吸力面前部的泄漏涡混合形成新的涡系,而动叶吸力面后部的泄漏涡却与其边界层的脱涡混合,离开吸力面．     

超声速低反力度压气机动叶激波结构的研究

为研究叶栅通道内的激波结构,以某3级高负荷低反力度压气机首级超声速级动叶为研究对象。采用数值模拟方法考察了不同工况下激波与叶片吸力面分离流动、激波与叶顶泄漏流动之间的相互干扰情况。结果表明:流场中的激波是诱发吸力面边界层分离的一个重要因素。此外,叶顶泄漏流动会在叶顶附近对流道中激波产生影响,导致激波的变形乃至断裂。     

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。     

有间隙涡炉叶栅涡系结构的数值模拟

对具有3.6%相对叶顶间隙的锅轮叶栅三维空间流动进行了数值模拟,分析了大间隙涡轮叶栅流场的涡系结构。结果表明在叶顶间隙内部和上半翼展现出了复杂的分离流动,同时由于叶顶间隙的存在,上、下端壁尾缘附近的流动明显不同。     

波纹叶片控制扩压叶栅流动分离的DES数值模拟

为了研究新型被动流动控制技术-波纹叶片对扩压叶栅流动分离的控制效果并探索其流动机理,本文采用分离涡算法(DES)对0°和8°攻角下的原型和波纹叶片进行数值模拟。研究结果表明:在0°攻角下,波纹叶片对扩压叶栅性能产生的影响非常微弱,总体性能与原型叶栅基本相当,非定常流动具有较好的周期性;在8°攻角下,波纹叶片能明显降低叶栅总压损失、减小流动分离。详细的流场细节分析表明,叶片表面的波纹能诱导产生一对反向旋转的流向涡,有效加强叶栅前缘的局部流动,为附面层的低能流体注入动量,从而提高了附面层抗分离能力,延缓了分离的产生。     

跨声速压气机转子叶顶区域流场非定常计算和POD分析

采用时间精确求解法对跨声速轴流式压气机转子NASA Rotor35单流道进行了三维非定常数值模拟,研究了叶顶区域流场的时间非定常波动特性。将叶顶区域流场的非定常解作为快照,采用本征正交分解(POD)方法提取POD模态,进一步分析了叶顶近失速点流场的流动特性。结果表明:在近峰值效率点的大质量流量工况下,叶顶区域流场呈现出稳定性,基本不发生随时间波动的特性;在近失速点的小质量流量工况下,叶顶区域流场呈现周期性的波动特性,由激波与叶顶间隙泄漏涡形成的破碎、通道中部未形成泄漏涡的相邻叶片泄漏流流线以及来流一起形成的叶顶二次涡是叶顶非定常周期性波动形成的必要条件。     

叶根倒角对轴流压气机转子两端区流动结构的影响研究

为了揭示叶根倒角对跨音速转子的气动性能影响规律,以NASA的Rotor67转子为研究对象,采用数值方法研究了叶根倒角对跨音速轴流压气机角区分离和工作裕度的影响机制。结果表明：叶根倒角的引入改善了叶片倒角区前缘附近的来流攻角适应性及该区域的叶型几何曲率分布特征,进而提升叶根吸力面的抗分离能力。带有倒角结构的转子叶片在其叶根倒角未覆盖区的叶型中后段周向压力梯度大于原型叶片,有利于克服气流沿吸力面流动时产生的离心力,进而抑制了尾缘附近的分离现象,使得该区域效率提升了3.9%以上。倒角的存在借助于径向平衡约束,重塑了叶尖区域的沿程叶表静压分布,并减小了尖区的入口轴向速度,直接导致叶尖区域主流流体的通流能力明显削弱,并诱发相对更强的间隙泄漏流,从而使得跨音转子提前发生失速,压气机工作裕度降低了19%以上。     

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。     

高负荷风扇末级静叶气动特性试验研究

为了研究高负荷风扇末级静叶的气动性能,通过在静子叶栅前加装导流叶片,来模拟多级风扇中动叶出口气流参数,通过旋转导叶改变静叶进口气流角,分析不同进口气流角和进口马赫数条件下的静叶气动特性。研究表明:本研究设计的导流叶片可以为静叶提供接近动叶出口条件的来流参数,从而开展静叶试验研究。该静叶为大折转角扩压叶栅,随马赫数增加,总压恢复系数减小。随转角增大,静叶压力面流动随导叶转角增加明显改善,分离范围减小;吸力面存在较大范围的分离,转角增加对分离范围影响不大。     

偏航工况下叶片翼型动态特性研究

首先通过理论分析,研究风力机偏航运行时叶片各翼型的攻角变化规律,建立翼型俯仰运动模型;然后基于大涡模拟（LES）方法,研究偏航工况下叶片翼型的动态气动特性。结果表明：风轮在偏航工况下运行时,叶片各截面翼型攻角变化呈近似的正余弦规律;叶片不同展向位置翼型均发生不同程度的流动分离,出现动态失速现象,越靠近叶根,由偏航引起的动态迟滞效应越明显;翼型俯仰过程中,吸力面前缘分离泡的动态变化过程,导致吸力面前缘压力出现小范围的剧烈振荡,增大流动的不稳定性。     

透平端部非定常流动及传热的数值研究

基于E~3透平第一级模型,通过将动叶放大对级进行约化,数值分析非定常下透平级内涡系结构的发展。静叶出口的涡系结构受下游动叶周向运动的影响,通道涡呈现抬升趋势。静叶出口总压损失比定常相对高1.22%。静叶出口的通道涡在下游动叶内传播,与动叶内的二次流涡系结构发生干涉,静叶出口的通道涡对动叶内的通道涡产生排挤作用。受非定常效应的影响,端壁上摩擦系数的分布呈周期性变化,其中吸力面前缘角区与分离线下游区域变化尤为突出。相比于定常计算的结果,非定常条件下端壁传热的平均水平提高,但是变动幅度降低。     

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.     

基于弯曲叶片的氦气轴流压气机优化设计

针对高负荷氦气压气机中角区分离、叶顶泄漏严重带来的效率损失问题,以单级氦气压缩机为研究对象,利用CFD方法,分析了不同弯曲角度下氦气压气机内部的角区损失和叶顶泄漏损失,并优化了现有五级轴流氦气压气机。结果表明：叶片正弯会增加端区处的静压,减少角区分离,进而降低角区损失;对动叶而言,在设计攻角下正弯也会增加前缘损失;动叶叶顶反弯使泄漏流远离下一个叶片的压力面,而合适的反弯角度可以降低叶顶泄漏量;选取合适的弯曲角度使五级轴流压气机设计点效率提高1.85%。