某小型涡轮不同篦齿封严结构性能分析

通过对某小型涡轮叶顶间隙内的泄漏流动进行数值模拟,分析了不同篦齿形状、高度下叶顶间隙内气流流动特性。结果表明:叶顶泄漏流主要存在于叶片中后部;在保证间隙不变的条件下,梯形篦齿可有效降低泄漏流动;减小篦齿封严间隙可以在一定程度上提高涡轮效率。     

不同叶顶结构对燃气透平动叶顶部气膜冷却性能的影响

对不同叶顶结构的GE-E3叶片的气膜冷却现象进行了数值研究,比较了三种不同的叶顶结构：平顶、凹槽顶和平顶开槽孔结构在叶顶部的流动和冷却现象,并分析了吹风比对这三种结构的冷却性能的影响。发现凹槽顶和平顶开槽孔在结构上具有相似性;在叶顶开槽后,既降低了射流动量,又降低了顶端泄漏流速,有助于提高冷却效果,同时由于凹槽顶的槽比开槽孔的槽大,冷却气体和燃气在槽内充分混合,使得凹槽顶结构具有最高的冷却效率值和最低的换热系数值,平顶开槽孔结构次之。     

多变气热参数下大尺度槽深叶顶的流动换热特性

为了研究具有渐缩型面凹槽在不同深度下叶顶间隙的流动换热特性,针对某一级高压涡轮,在发动机五种典型工况下通过改变其凹槽深度,采用k-ω湍流模型以及自适应湍流模拟方法(SATES)分别进行定常和非定常的数值仿真分析。研究结果表明,凹槽深度是影响间隙泄漏流动和叶顶换热特性的重要因素,同时该影响趋势也受涡轮工作状态的限制。相比于深凹槽,浅凹槽方案的间隙泄漏量明显降低,对应的涡轮动叶出口总压损失系数也有所降低,这在涡轮小流量状态时尤为明显。然而,深凹槽设计在降低叶顶热负荷方面表现更好,其中槽深0.8H方案比槽深0.1H方案的叶顶平均努塞尔数降低38.3%～95.3%。定常和非定常两种计算方法主要影响了间隙内局部泄漏量和叶顶前部热负荷的预测值,并未改变流动换热特性的分布趋势。     

端壁相对运动对叶顶流动传热特性影响的研究

采用求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-w紊流模型的方法数值研究了端壁与动叶相对运动时动叶顶部的气动换热特性。以实验测量的叶栅为研究对象验证了所采用的数值方法和紊流模型的有效性。分析了端壁与叶顶有无相对运动时叶顶间隙高度对动叶顶部气动换热特性的影响。研究结果表明:端壁与叶顶存在相对运动时,叶顶换热系数随着间隙高度的增大而增大。在小叶顶间隙(s=0.2%H)时叶顶表面平均换热系数最小,动叶顶部前缘处的换热系数显著降低且泄漏流方向发生较大偏转。同时近顶部的吸力面侧前缘换热系数较大,随着叶顶间隙高度增大该区域的换热系数降低。端壁与叶顶无相对运动时,随着叶顶间隙高度的增加叶顶换热系数先增大后减小且在叶顶间隙中间弦长处产生大范围流动分离,当s=0.5%H时叶顶平均换热系数最大。小叶顶间隙(s=0.2%H)时端壁与叶顶存在相对运动时,动叶气动效率比端壁与叶顶无相对运动提高0.5%。大叶顶间隙(s=2.0%H)时端壁与叶顶无相对运动时,动叶气动效率比端壁与叶顶存在相对运动提高0.29%。     

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。     

叶顶开槽——小翼结构对提升轴流风机性能影响的数值研究

为了有效抑制叶顶泄漏流的发展,降低叶顶泄漏损失,针对两级动叶可调轴流风机提出在吸力面构造叶顶小翼并开设斜槽的新型叶顶改型方案。采用Fluent数值模拟了5种叶顶改型方案对风机性能和流场特征的影响,分析了不同方案下流场、叶顶静压、叶顶泄漏量和动叶区做功能力的变化。结果表明：吸力面小翼可有效降低叶顶损失,小翼上开设顺流向斜槽可进一步提高风机性能,逆流向斜槽会使性能略有降低;顺流向单斜槽为最佳改型方案,在设计流量下全压和效率分别提升166 Pa和0.942%;叶顶间隙处产生额外的涡流,叶顶泄漏流得到抑制,动叶区做功能力得以提升。     

周向弯曲方向对NACA65翼型轴流叶轮叶顶间隙流动影响

本研究采用三维气动设计方法设计了具有NACA65-810翼型的直叶轮、周向前弯和周向后弯叶轮,并采用计算流体力学软件模拟其气动性能,分析了压力峰值工况和设计工况下3个叶轮叶顶泄漏流和泄漏涡的空间发展和叶顶间隙部分静压损失以及熵分布。结果表明:直叶轮引入周向前弯后,叶顶泄漏流的卷吸能力降低,泄漏涡起源位置向远离叶片前缘的方向迁移,泄漏涡涡心径向高度得到了保持,降低了叶顶泄漏涡与主流的干涉作用;引入周向后弯后,泄漏流的卷吸能力增强,泄漏涡的起源位置向靠近叶片前缘的方向迁移,远离叶片前缘的涡心径向高度显著降低,涡核下游弥散范围扩大,增强了叶顶泄漏流与主流的干涉作用,不利于降低叶顶泄漏损失。     

凹槽式叶顶流动换热的数值研究

针对叶尖间隙高度对凹槽式叶顶流动与换热的影响展开数值研究,评估4种湍流模型在叶顶换热方面的预测能力.结果表明：凹槽肩壁顶部、凹槽腔底部近前缘区域和叶顶尾缘为高换热区,凹槽腔底的中部和尾部区域为低换热区;不同湍流模型对叶尖间隙泄漏量预测差别很小,但泄漏流流动状态差异很大,这是造成不同湍流模型对叶顶换热预测存在重大差别的原因;在研究的间隙范围内,叶尖间隙泄漏量和叶顶换热强度随间隙高度的增大而增加;在所选的4种湍流模型中,k-ω模型是叶顶换热数值模拟较好的湍流模型选择.     

基于流热耦合的燃气轮机透平叶顶冷却设计

燃气轮机透平叶顶区域存在复杂的流动和换热问题,承受很高的热负荷。为了降低透平动叶叶顶温度,在透平叶顶现有结构的基础上提出气膜冷却和气膜+内冷通道冷却两种叶顶冷却方案,并通过流热耦合计算分析冷却升级前后叶顶区域的换热和流动特性。研究发现：叶顶气膜冷却方案可有效降低叶顶温度,特别是叶顶前缘至中弦区域;而气膜＋内冷通道冷却方案基于外部气膜冷却,结合内部冷却通道设计,可进一步降低叶顶尾缘的温度;与原型叶片相比,气膜+内部冷气通道的复合冷却设计可以使叶顶尾缘最高温度降低24 K。     

叶顶微射流对小型高负荷离心压气机性能及流场结构的影响

以某小型高速离心压气机为研究对象,采用数值方法研究了微射流对压气机性能和叶轮叶顶流场结构的影响。研究结果表明：射流为1%设计流量时,失速裕度能够提高3.12%,稳定工作范围拓宽28.17%;在设计点,原型离心压气机叶顶来流马赫数达1.8以上,叶顶存在复杂激波/间隙泄漏流干扰,工作稳定性较差,微射流改变了“λ”状的激波结构,使前缘激波的强度减弱,后掠角度减小,并且降低了叶顶的负荷水平;微射流能够抑制间隙泄漏流的周向运动,并削弱激波/间隙泄漏流之间的相互作用,间隙泄漏涡不易发生破裂、溃散,极大增强了压气机工作的稳定性。