涡轮叶栅端壁区流动的实验研究

本文在大尺寸低速开式叶栅传热风洞中对一种高压涡轮导向叶栅中的流场进行了实验研究。采用五孔针对5个雷诺数下的叶栅端壁区三维流场进行了测量,并用线簇和小球浮动法对5个工况的流动进行了流场显示。实验结果表明:马蹄涡压力面分支在向吸力面运动的过程中,破坏了来流附面层的结构,在马蹄涡压力面分支之后,叶栅通道中产生了一个新的从压力面到吸力面的新附面层,新附面层的厚度小于来流附面层厚度;三维流动区约占叶栅通道的40%;雷诺数的增大将增强端壁区的三维流动。从流场显示图片可以观测叶片吸力面靠近端壁的角涡形成与发展,以及吸力面上的三角形区域;流场显示的通道涡大小与流场测量结果吻合。本文的实验结果有助于分析端壁表面和叶片表面换热特性的形成机理。      

叶轮机械失速颤振的全三维数值分析方法

给出了建立在全三维N-S方程求解基础上的叶轮机械失速颤振分析的数值方法。包括用定常N-S方程求解三维粘性失速流和用三维N-S振幅方程求解三维粘性失速振荡流。为了验证方法的准确性, 用压气机环形叶栅的失速流实验和振荡叶片振荡流场的实验作了对比, 同时应用本方法分析了某30万千瓦汽轮机末级叶片的失速颤振。      

弯叶片对大转角平面涡轮叶栅气动性能影响的实验研究

本文选择叶型折转角为113°的平面涡轮叶栅,开展了直叶栅、正,反弯曲叶栅的流场测量和流动显示研究,讨论了叶片弯曲对壁面流谱、静压分布以及流动损失的影响.结果表明：对于大折转角(113°)平面涡轮叶栅,叶片反弯(DHN)使得叶栅流场明显恶化,叶栅损失增加;叶片正弯(DHP)则在一定程度上减少流动损失,但效果没有普通小折转角的涡轮叶栅明显.     

环形涡轮动叶栅旋转效应数值研究

为揭示动叶旋转与机匣相对转动对涡轮叶栅流场结构和气动性能的影响,针对平顶和翼型冠叶顶的LISA1.5级涡轮动叶片,开展了三维数值模拟研究。结果表明:平顶叶栅中,机匣相对转动能降低泄漏损失,但通道涡强度增大,旋转离心力和科氏力亦对旋涡位置和尺度产生影响;叶顶结构不同会影响各转动条件下的损失变化规律,相对于动叶旋转工况,机匣相对转动可使平顶叶栅出口损失降低3.62%,但使翼型冠叶栅损失提高12.11%;在间隙泄漏流流量方面,不论是平顶叶栅还是翼型冠叶栅,机匣相对转动时叶顶泄漏流量最低,动叶旋转工况次之,静止工况最大。实验中用机匣相对运动代替动叶旋转在研究泄漏流特征时具有一定的合理性,而对于研究旋转效应对通道涡的影响方面则会产生误差。     

高亚声速大弯角轴流压气机平面叶栅损失模型研究

基于亚声速叶栅设计点损失预估模型,结合无粘S1流场与附面层迭代计算发展了一套计算大弯角轴流压气机平面叶栅流场程序。增加弯度比分布及最大厚度修正得到设计点损失预估模型,采用马赫数修正后的叶栅有效工作范围得到一套大弯角叶栅全工况损失预估模型。分析了轴向密流比在实验中对叶栅损失系数的影响。结果表明,S1流场计算程序与修正后的损失预估模型均能准确地预估出大弯角叶栅设计点损失系数,误差分别小于0.006与0.004。非设计点损失模型能有效地预估得到叶栅有效工作范围内的损失随攻角的分布。初步验证了损失模型对高亚声速大弯角平面叶栅损失系数预估的准确性。     

叶片正弯曲对压气机叶栅叶片表面流动的影响

为了研究叶片正弯曲对压气机叶栅气动性能的影响,对具有可控扩散叶型(CDA)的直叶片和正弯曲25°叶片平面叶栅进行了实验研究和数值模拟,获得了两种叶栅叶片表面流场显示结果以及不同冲角下叶片表面静压系数的分布。结果表明,叶片正弯曲对其吸力面流动影响较大,吸力面近出口处两端的径向二次流区相比于直叶栅而言明显增加。正弯曲叶片吸力面形成"C"型压力分布,叶片负荷沿叶高和弦长重新分布,这种负荷的重组是弯曲改变叶栅流场的主要因素。     

气膜孔喷气对涡轮气动性能影响的实验研究

为了认识气膜孔喷气对涡轮叶栅气动性能和流场结构的影响,应用涡轮平面叶栅风洞,实验测量和分析了在叶片表面不同位置气膜孔喷气情况下涡轮叶栅流场与性能,实验中气膜孔气流采用与涡轮叶栅相同的空气介质。实验结果表明,前缘气膜孔喷气使得涡轮叶栅损失随喷气流量增大而单调增大;但是,叶片压力面和吸力面气膜孔喷气对涡轮叶栅损失影响规律是复杂的,由于叶片表面不同位置流动特点的不同,在叶片表面不同位置的气膜孔喷气对涡轮叶栅流动损失和流动结构等的影响也是不相同的。     

蒸汽轮机叶片失速颤振的预测

本文移植了轴流压气机叶片失速颤振预测方法中一种半经验方法——变形激盘法,从自激振动的角度分析了蒸汽轮机末级工作叶片在某些工况下动应力突增的故障。本文中计算与实测值间的定性一致表明:末级工作叶片在低负荷状态的动应力突增是由于大负攻角失速颤振所引起的。本文对设计工况附近的动应力增加提出了一种解释,在设计工况叶片可能存在一种目前尚未分类过的“高负荷非失速颤振”。      

吸附式压气机叶栅气动性能计算模拟研究

为考察附面层吸附技术在压气机静子势流区叶型上的应用,采用流场数值计算方法对吸气叶栅流场进行模拟.结果表明:(1)对于高亚声速压气机叶栅,采用吸力面附面层吸除可提高叶栅的扩压度,但不一定能减小流动损失.(2)对于中亚声压气机叶栅,采用吸力面附面层吸除不仅可提高叶栅的扩压度而且能减小流动损失.(3)如果叶片吸力面靠后缘处有流动分离,吸气位置在分离区的上游较远处可抑制分离,若在分离区附近可能不利于抑制流动分离.      

叶栅参数对反推力装置气动性能影响规律

针对某型叶栅式反推力装置,开展了气动性能数值预测的研究工作。采用本文提出的数值计算方法,在不同落压比下反推力预测值与实验值最大相差8．2％。流场速度等值线分布展示反推力装置叶栅内部流动特征．叶栅叶盆处的旋涡和叶背处的失速是导致气动性能下降的不利因素。大量数值计算结果揭示了叶片进入角、出流角、稠度等结构参数对轴向反推力、流量系数、总压恢复系数的影响规律。在本研究范围内,叶片进入角54°、出流角135°、稠度1.3的叶栅几何结构综合气动性能最优。     

汽轮机末级三维非定常流动数值模拟

采用三维粘性非定常数值模拟方法,对某汽轮机设计状态末级非定常流动进行了模拟,并对设计状态下各因素引起末级动叶表面产生非定常力的大小和作用机理进行了分析。结果表明,本文中的汽轮机末级在设计条件下,上游静叶尾缘激波和位势场对下游转子的影响比尾迹作用的影响更大,静叶尾缘激波和位势场导致下游转子叶片表面非定常力大小呈周期性变化;此外上游静子尾迹以及动叶尾缘出口膨胀波等也是产生转子叶片表面非定常力的因素。      

叶片间相角对蒸汽轮机叶片颤振的影响

蒸汽轮机叶片的气动力衰减和叶片间相位角存在密切关系, 叶片间相角是决定蒸汽轮机叶片的气动弹性稳定性的重要因素, 应用可考虑叶片间相角变化, 适用于蒸汽轮机失速颤振预测的变形激盘法, 考察了叶片间相角对蒸汽轮机叶片的气弹稳定性的影响。      

预测叶片失速颤振的一种半激盘法

本文利用一种半经验方法——变形半激盘法预测了轴流压气机（风扇）的亚/跨音速失速颤振。该模型的基本方法是:在变形激盘模型的基础上,发展简化的槽道一维非定常流动解。该模型改进了纯激盘模型中的一些不合理性。     

高负荷涡轮端区非定常流动相互作用研究

采用三维黏性非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮端区非定常流动相互作用,着重研究了上游静子尾迹与转子二次流的非定常作用机制,同时还分析了负荷分布、激波等对端区非定常流动的影响。结果表明,静子尾迹的非定常作用一定程度减小了转子轮毂二次流的径向涡量;尾迹对流向涡量的影响取决于尾迹沿叶高的分布,当吸力面一侧的尾迹具有与二次流方向相反的流向涡量时,二次流的流向涡量减小;非定常效应还使得转子叶片根部负荷略为减小,也一定程度上抑制了转子轮毂二次流的发展。此外,受静子尾缘激波的影响,转子叶片表面负荷分布发生明显的周期性变化,导致叶片表面承受较强的非定常力,在涡轮设计中必须考虑。另外,通过计算涡轮级中的熵增和熵产,定量地分析了端区非定常相互作用产生的损失,并得到了一些有意义的结论。     

Aeroelastic stability of cascades in turbomachinery

State-of-the-art prediction of the aeroelastic stability of cascades in axial-flow turbomachines is reviewed. The first main chapter of the article presents a comprehensive formulation of the two- and three-dimensional classical (unstalled) flutter problem of tuned and mistuned rotor blade rows and bladed disc assemblies. Within the framework of linearized analysis, a complete and generalized theory in modal form is outlined, comprising the various formulations of the cascade flutter problem distributed in fragments throughout the literature. Brief outlines are also made of recent advances in unsteady aero-dynamic methods for turbomachinery aeroelastic applications. The second main chapter contains a parametric study of the classical flutter stability characteristics of compressor and turbine cascades in subsonic and supersonic flow. Stability boundaries and dominant trends in flutter behaviour are outlined, and the significant effects of blade mistuning on the aeroelastic stability of turbomachine bladings are highlighted.     

高负荷低展弦比氦涡轮端壁损失机理研究

以某多级氦涡轮第一级为研究对象,借助数值模拟技术对低展弦比涡轮动静叶端壁通道涡迁移及干涉机制进行研究,并考察了叶片弯曲对涡轮气动性能的影响。结果表明：受下端壁道涡影响,导叶出口近叶根处气流过偏转,导致转子前缘近轮毂区正攻角变大;叶片根部负荷增加,致使马蹄涡压力面分支与吸力面分支交点前移;下端壁通道涡径向迁移至近叶顶区,其与叶尖泄漏涡相互影响致使叶顶区粘性损失显著增加。弯叶片对低展弦比大折转涡轮叶片的作用效果与传统涡轮具有明显差别：叶片正弯时叶顶载荷减小,导致叶顶间隙泄漏涡与通道涡强度及损失显著减小,涡轮性能得到改善;叶片反弯时叶顶载荷增加,致使叶尖泄漏损失增大,且强径向压力梯度作用下下端壁低能流体向叶顶汇聚,损失显著增加。     

CFD simulation of helicopter rotor flow based on unsteady actuator disk model

Actuator Disks (AD) can provide characterizations of rotor wakes while reducing computational expense associated with modeling the fully resolved blades. This work presents an unsteady actuator disk method based on surface circulation distribution combined with empirical data, blade element theory and rotor momentum theory. The nonuniform circulation distribution accounts for 3D blade load effects, and in particular, tip loses. Numerical simulations were conducted for the isolated pressure sensitive paint model rotor blade in hover and forward flight using the HMB3 CFD solver of Glasgow University. Validation of CFD results in comparison with published numerical data was performed in hover, for a range of blade pitch angles using fully turbulent flow and the k-ω SST model. In forward flight, the vortex structures predicted using the unsteady actuator disk model showed configurations similar to the ones obtained using fully resolved rotor blades. Despite the reduced grid cells number, the CFD results for AD models captured well the main vortical structures around the rotor disk in comparison to the fully resolved cases.     

考虑二次流效应的叶片颤振预估方法

采用流线曲率法和Adkins-Smith二次涡模型相结合的方法得到周向非均匀的定常流场, 再与变叶片间相角的变形激盘法相结合发展了考虑二次流效应的三维叶片颤振预估方法, 并用此方法对BF-1-2转子的气弹稳定性进行了分析。结果表明, 考虑二次流效应计算的颤振边界与实验一致。不同二次流与叶片颤振的相关性中尖部漏流涡对叶片气弹稳定性的影响较大。      

叶轮机械颤振稳定性的工程预测方法

通过求解雷诺平均N-S方程并采用影响系数法,对三个基本正交模态的三维振荡涡轮叶片绕流问题进行了研究。结果表明数值模拟所得非定常气动力与实验吻合较好;基于刚体运动假设和模态叠加法,得到了可用于叶轮机械设计阶段颤振稳定性评估的稳定性参数图/气动阻尼图,即所有可能的刚体运动及其相应气动阻尼的关系图;通过对稳定性参数图/气动阻尼图的分析表明,在一定情况下振型对颤振稳定性有重要影响,应将其作为颤振稳定性设计的重要参数之一。