高压涡轮气冷叶片冷却掺混损失数值研究

为探索高压涡轮气冷叶片多排冷却孔出流对各排孔冷却掺混损失的影响,采用三维粘性流场数值模拟技术,对典型气冷叶片多排孔冷却射流流场和叶栅性能进行了研究,并将冷却掺混损失数值计算结果与Hartsel模型预测值进行了对比。研究结果表明:气冷叶片表面多排冷却孔射流相互作用对各排冷却射流与主流掺混引入的流动损失影响较小,各排射流冷却掺混损失相互独立具有简单的可叠加性质;叶片表面各区域冷却射流出流对叶栅性能影响程度有所不同,尾缘劈缝与吸力面冷却射流对叶栅性能影响较大,前缘区域次之,压力面冷却射流对叶栅性能影响较小;和数值计算结果相比,总压损失系数Hartsel冷却掺混损失模型预测值偏高,尤其对于尾缘和吸力面主流马赫数较大的区域,损失模型预测值为计算结果的2~4倍,而前缘和压力面预测值和计算结果符合性较好。     

高负荷叶片弯曲对壁面流动的影响

测量了低展弦比高负荷涡轮直叶片和正、反弯叶片叶栅端壁和叶片表面静压及流道内损失沿流向的发展, 并对端壁和叶片吸力面上的流动进行了墨迹显示。实验结果表明:叶片正弯增大了叶栅进口段逆压梯度, 并在叶片吸力面前部形成反“C”型静压等值线, 加剧了叶片前缘的鞍点分离和吸力面分离线向叶栅中部的收敛。叶片反弯减小了叶栅进口段逆压梯度, 在吸力面进口形成垂直于端壁的静压等值线, 不仅削弱了鞍点分离, 而且造成吸力面上的自由涡层型分离, 避免了吸力面上、下分离线相交, 因此二次旋涡损失大为降低。      

大转角透平叶栅叶片正弯曲的实验研究

在与大转角透平叶栅叶片反弯曲的实验研究相同实验条件下, 对大转角透平叶栅叶片正弯曲进行了实验研究。结果表明:在大转角透平叶栅中, 叶片正弯曲后同常规直叶片叶栅相比, 前缘涡、通道涡增强, 前缘涡的气泡型分离损失和通道涡的粘性耗散损失增加, 整个叶栅的通流能力下降8.8%, 质量流量平均总损失提高11.4%, 同时, 叶栅出口气流条件也进一步恶化。      

大转角透平叶栅叶片反弯曲的实验研究

同常规直叶栅相比 ,叶片反弯曲可改善端壁前缘区流动 ,降低前缘涡和通道涡强度 ,减小前缘涡损失及通道涡粘性耗散损失 ,整个叶栅的通流能力提高 3.2 % ,质量流量平均总损失降低19.1% ,同时 ,叶栅出口气流条件也得到改善。因此 ,对于大转角透平叶栅 ,在进行弯曲叶片的弯扭气动联合成型时 ,迫切需要研究和采用这种新的叶片叠积方式 ,以使二次流损失降低。     

亚声速扩压叶栅中端弯积叠方式的研究

为了改善扩压叶栅端区的流动匹配,通过数值模拟的方式,以直叶片和正弯叶片扩压叶栅为应用背景,详细对比研究了不同的端弯叶片积叠方法对扩压叶栅气动性能的影响。研究结果表明,在亚声速扩压叶栅中,前缘增弯的端弯造型可以有效降低来流攻角,以相同端弯弯角为前提,最为有效的端弯积叠方式是保持尾缘不变的尾缘积叠。无论采用何种端弯积叠方式,都会造成叶片的前部或者后部的局部弯曲,对叶栅流道产生类似于弯叶片的流动控制作用。将尾缘积叠端弯造型应用于正弯叶片中,一定程度上会抵消叶片前部的正弯效果,但并不会完全抑制;而前缘积叠端弯造型则会促进叶片后部的正弯效果。在亚声速环境下直叶片流道内应用前缘增弯的端弯造型技术时,推荐采用前缘积叠的端弯造型方法;但在正弯叶片流道内应用端弯造型技术时,推荐采用尾缘积叠的端弯积叠方式。     

涡轮叶片尾缘开缝喷气的数值模拟和试验研究

以某涡轮叶栅为研究对象,采用试验和数值模拟相结合的方式研究了涡轮叶片尾缘不同喷气形式对叶栅性能的影响。应用一维源项喷气模型,结合涡轮叶栅流场数值模拟,得到了不同喷气形式下涡轮叶栅流场细节。计算与试验结果显示:两种开缝形式下,喷气比例对叶片表面参数以及出口气流角影响不大,但能量损失系数随着喷气比例的增大出现先增大后减小的趋势。对开缝时,喷气引入吹除了附着在叶片尾缘的漩涡,并增强了尾迹与主流的掺混过程;半开缝时,喷气的引入仅吹除了附着在开缝处的漩涡,对于尾缘处流场影响不大。      

向心涡轮跨声速导向叶片叶型设计及验证

以某先进辅助动力装置用膨胀比5.0级向心涡轮跨声速导叶为研究对象,从消除几何喉部前局部超声区及削弱尾缘激波强度两方面着手,对导向叶片进行了优化改进及叶栅试验验证,结果表明：采用大正攻角、小安装角的设计思路,减小喉部前吸力面叶型曲率,降低进口段的通道面积,提高了叶型前段负荷,消除了喉部前的过膨胀区,喉部前气流加速更为均匀;在吸力面喉部后构建局部内凹结构,可将原方案中吸力面尾缘处一道较强的激波变为两道较弱的激波,峰值马赫数降低,尾缘逆压梯度减小,尾缘激波强度得以削弱。试验结果显示：在出口马赫数0.9～1.1范围内,优化后叶型能量损失系数均有所降低,在出口马赫数为1.1时,能量损失系数可降低近20%。     

带尾缘劈缝冷气喷射的涡轮叶栅性能实验及计算

通过平面叶栅实验和CFD数值计算方法,研究了叶片尾缘全劈缝冷气喷射下涡轮叶栅流场和气动性能。试验和计算发现,在冷气喷射条件下用不同损失系数描述涡轮叶栅性能,结论明显不同,用考虑冷气能量的能量损失系数评价气冷涡轮叶栅性能较为准确和客观。在较小的冷气流量下,劈缝冷气喷射使叶栅能量损失降低,尾缘劈缝冷气喷射可改善近尾迹区域的流动,减小尾迹亏损,降低尾迹掺混损失。尾缘劈缝冷气射流方向偏向叶片某型面,则尾迹损失峰值朝此型面偏移。     

亚声速扩压叶栅中弯叶片积叠规律的研究

为了探索负荷径向非对称分布的环形扩压叶栅中弯曲叶片造型参数的选取规律,通过数值模拟的方式,对比研究了不同弯高和正弯角对两种不同分离形态的环形扩压叶栅气动性能和流道内旋涡结构的影响。研究结果表明,随着弯叶片正弯角的增大,尾缘附近的一对集中脱落涡增强并向叶展中部靠拢,随之造成了集中脱落涡和壁角涡之间区域的损失降低,同时叶展中部的总压损失增大。在集中脱落涡尚未形成的叶栅中,弯叶片则是主要作用于流道中部的尾缘脱落涡,但作用效果相对较弱。在一定的弯叶片弯高下,扩压叶栅存在最佳弯角,研究所采用的50%弯高的CDA叶栅在进口条件2下的最佳弯角约为25°,并且相同的弯叶片正弯角对叶片展向负荷较高的一端作用效果更显著。当弯叶片正弯角较大(或接近于最佳弯角)时,叶片展向负荷较高的一侧在弯叶片作用下损失峰值增加更为明显,因而在保持弯叶片的周向相对偏移一致的前提下,最佳弯高在叶展中部偏向于负荷较低的一侧。换言之,最佳弯高应偏向于扩压因子展向不均匀度更大的一侧。     

叶片前缘喷气对大转角涡轮弯叶栅流场结构的影响

对具有 10 6°转折角的气冷涡轮反弯叶栅进行了低速风洞实验测量和数值模拟 ,研究了叶片前缘不同位置 3排孔逆主流喷气对反弯叶片前缘马蹄涡鞍点位置和前缘再附线位置的影响 ,从而阐明了前缘逆主流喷气使弯叶栅内能量损失增大的机理     

具有前缘凹陷特征的气冷涡轮叶型研究

提出了一种具有前缘自锁涡的新型气冷涡轮叶型.对新叶型流场进行了跨声速情况下的详细数值研究.观察了由前缘冷气喷射所形成的冷气旋涡沿叶型表面的变化.将新叶型的冷却效率、能量损失、压力场等与传统气冷涡轮叶型进行了对比.结果表明:新气冷叶型能够把由前缘冷气喷射形成的冷气旋涡锁定在其凹陷部位.冷气与主流的掺混损失减小.因此,前缘冷气喷射孔的列数可以减少.相应地,冷气喷射量可以减少.      

具有分流叶片跨声速离心叶轮激波及能量损失分析

对具有分流叶片跨声速离心叶轮,采用激波基本关系式对数值信息进行分析和判定,理论证实了叶轮流道中激波的存在,并确定流道内高速气流易在主叶片前缘、分流叶片前缘以及主叶片的吸力面与分流叶片的压力面通道位置形成激波.进一步对比分析了叶顶间隙和运行工况对激波位置分布特征的影响及引起的能量损失.结果表明:固定叶顶间隙下,随着流量减小,激波位置向流道上游移动;叶顶间隙导致激波线位置向流道下游偏移;分流叶片前缘处有最强激波并引起较明显能量损失.      

具有前缘凹陷特征的新型气冷涡轮叶型研究

本文提出了一种具有前缘自锁涡的新型气冷涡轮叶型。对新叶型流场进行了跨音速情况下的详细数值研究。观察了由前缘冷气喷射所形成的冷气旋涡沿叶型表面的变化。将新叶型的冷却效率、能量损失、压力场等与传统气冷涡轮叶型进行了对比。结果表明，新气冷叶型能够把由前缘冷气喷射形成的冷气旋涡锁定在其凹陷部位。冷气与主流的掺混损失减小。因此，前缘冷气喷射孔的列数可以减少。相应地，冷气喷射量可以减少。     

基于水滴型带状前缘的涡轮端区损失控制数值研究

探索了基于水滴型带状前缘的涡轮端区损失控制方法,研究了水滴型带状前缘对于涡轮二次流损失的控制机理.以典型的高负荷低压涡轮叶片T106叶栅为对象,对比分析了不同的端区叶片带状前缘造型设计参数对涡轮端区损失的控制效果.结果表明:带状前缘的向前延伸长度、吸力面延伸位置和压力面延伸位置对于带状前缘的总压损失系数有较大影响,最佳设计方案可以使T106叶栅总压损失系数减小约5.1%.水滴型带状前缘与余弦带状前缘相比,端区损失的减小量并没有明显差异,但是水滴型曲线与原始叶型的光滑融合不会引起叶型表面压力的局部波动.      

叶片前缘形状对涡轮气动性能的影响

采用Bezier曲线控制涡轮叶片前缘形状由圆弧形改为非圆弧形,用数值计算方法研究涡轮叶片前缘形状对其气动性能影响.首先以基元叶型为研究基础,数值模拟分析、比较不同基元叶型前缘形状在不同攻角下对涡轮叶栅性能影响.对于正常运行的攻角范围(-15°~+10°),由于非圆弧形前缘表面曲率半径增大较缓,减小了前缘表面流动的法向压力梯度,抑制过度膨胀,减小由摩擦力引起的能量耗散,损失减小,且非圆弧形曲率半径越大,提高性能效果相对越好.而在非设计工况的大攻角条件下,前缘曲率半径缓慢增大将导致叶型分离更严重,损失相对增加.其次以某5级低压涡轮作为验证实例,数值研究分析认为,非圆弧形前缘形状可改善叶片前缘流动特性,提高涡轮效率,但对于远离设计点的非设计工况,由于气流攻角的大幅度改变,会带来涡轮气动性能的负面影响.      

涡轮叶片前缘气膜冷却换热实验

针对某型涡轮叶片放大模型的前缘冷却结构气膜冷却效果开展了细致的实验研究,利用红外热像仪测量了叶片表面的温度场分布,分析了前缘的气膜孔倾角、吹风比、主流雷诺数等参数对绝热冷却效率和压力损失的影响.实验中前缘的3排气膜孔倾角变化范围是35°~90°,主流雷诺数变化范围是76112~142624,吹风比变化范围是0.44~2.64.结果表明:气膜孔倾角越小,前缘驻点附近的气膜覆盖效果越好;气膜孔倾角为45°的叶片压力损失系数最小,气膜孔倾角为75°的叶片压力损失系数最大;主流雷诺数增大,绝热冷却效率下降,压力损失系数增加;吹风比增大到1.32时,绝热冷却效率达到最大,吹风比再增大绝热冷却效率反而下降.      

大转角反弯叶栅气膜冷却实验研究

对大转折角气冷涡轮直、反弯叶栅出口流场进行了不同位置10排孔喷气及多排孔喷气等26套冷却方案测量。结果表明,无冷气喷射时反弯叶栅内损失高于直叶栅;压力面、吸力面近尾缘处喷气可降低叶栅损失;反弯叶栅前部多排孔气膜冷却的损失增加值要低于直叶栅,后部多排孔喷气则可降低叶栅损失。      

横向加速度对飞行发动机绝热层烧蚀影响的实验研究

设计了实验发动机与实验装置,进行了一系列飞行固体火箭发动机横向过载模拟试验,获得了不同加速度下发动机内绝热层烧蚀率定量化的试验数据。验证了横向加速度严重影响局部绝热层烧蚀的事实。机理分析表明,此种结果是由于横向加速度作用下燃气中Al₂O₃液态粒子偏离发动机中心线,沿离心力方向大量沉积所致。此项研究为相关的工程设计提供了基础性的依据。      

冲击式凹槽叶尖流动换热特性

针对冲击式凹槽叶尖的流动换热特性,采用数值模拟方法,详细分析了三种冲击式凹槽结构和三种凹槽助肋结构的间隙泄漏流场、叶尖二次流损失、叶尖总压损失系数和叶尖表面传热系数,同时考虑了助肋位置、数量和凹槽深度的影响。结果表明:叶尖凹槽前缘助肋抑制了间隙泄漏涡吸力侧分支,增强了泄漏流在凹槽内的分离流动。同一凹槽深度,双助肋凹槽叶尖的相对总压损失最小,研究范围内减小约13%。冲击式凹槽叶尖增强了泄漏流在凹槽内的掺混流动,减小了泄漏流的动能。同一凹槽深度,冲击式双助肋凹槽叶尖的相对总压损失最小,研究范围内减小约18%。冲击式凹槽叶尖减小了泄漏流在凹槽底面的再附,增大了泄漏流在叶尖突肩壁面的再附,突肩壁面出现高传热系数区域。      

超临界机组末级叶片典型截面的叶型设计

针对超临界机组末级长叶片的设计特点,采用遗传算法和人工神经网络,提出对长叶片典型截面叶型进行分区优化设计思想,并对原型与改型进行了多工况点的数值计算,结果表明,将叶型吸力侧后半段由直线型改为内凹型,能够显著降低超声速叶型在超声速工况范围内的叶型损失。对叶型前缘以及压力侧的局部优化设计能够改善超声速叶型在临界马赫数工况下的气动性能。优化设计最大程度地减小了样本空间,提高了优化效率。