扇形与平面叶栅内高负荷叶片的换热特性实验研究

为了探究扇形与平面叶栅条件下,高负荷叶片的外换热特性,采用瞬态液晶测量技术,测量了雷诺数(Re)、湍流强度(Tu)对扇形叶栅(曲端壁)的小展弦比高负荷涡轮叶片表面努塞尔数(Nu)的影响,并与平面叶栅(直端壁)进行了对比。结果表明,曲端壁相较于直端壁增加了21.5°的径向进气角以及上下端壁曲率不同,从而导致换热沿叶高的不对称分布。雷诺数增大,叶片各位置的换热明显增强,吸力面边界层转捩点位置不断向前缘靠近,雷诺数对直端壁的影响大于曲端壁。随湍流强度增大,努塞尔数整体有所升高,吸力面转捩点位置前移,压力面过渡现象明显增强,中弦部分努塞尔数一维特性更为明显,湍流强度对两类端壁的叶片影响类似。在研究低雷诺数或湍流强度对高负荷叶片的换热影响时,可采用直端壁进行简化,而在高雷诺数时,为了保证结果准确性,需在发动机实际扇形叶栅中进行实验。     

温度比对导叶端壁冷却特性的影响

利用高温风洞及远红外热像技术,在两种主流/冷气温度比(1.53和2.29)和3种冷气/主流质量流量比(0.50%, 1.25%和1.50%)下,研究了温度比对导叶端壁综合冷却特性的影响。对比高、低温比下的实验结果发现:保持冷流温度不变,通过增加主流温度来提高温比,会使整个端壁表面冷却效率却显著增加；高温比改变了端壁表面的冷却特性,端壁不同位置冷却效率在高温比时增加的幅度不同,端壁高、低冷却效率区发生变化,适用于低温比的气膜孔布局方案可能并不适用于高温比；温比对端壁前缘冷却特性的影响较大,对端壁尾缘的影响较小。      

变工况下非轴对称端壁环形叶栅流场特性实验

通过风洞实验对三角函数非轴对称端壁造型法和压差非轴对称端壁造型法设计的环形叶栅在设计工况和非设计工况下的流场参数进行了测量与分析.结果表明:不同进出口条件时,非轴对称端壁造型对于流场参数影响呈现出一些新特点.由于压力面与吸力面上压力改变的幅度大小会因为来流条件的变化而不同,当地总压损失系数会随着出口马赫数的降低而减小,二次流速度矢量分布规律不会随着出口马赫数的变化而不同,但二次流速度大小及通道涡系强度会随着出口马赫数的降低而减小.      

一种考虑级间引气的压气机通流设计方法

为了探索考虑引气影响的压气机设计方法,提出了一种基于周向槽引气的引气模型,通过将引气区域的机匣端壁无滑移边界条件替换为端壁法向引气速度代表的引气边界条件,把引气的影响计入压气机通流设计.一台两级压气机的无引气和引气通流设计以及三维数值模拟流场的对比研究表明,该引气模型和考虑引气的通流设计方法能够有效的将引气设计参数及其影响反映在通流流场结果中.此外,该引气模型和设计方法还能够准确反映引气流动随引气区域当地气动参数的变化.      

进口不重合和轴对称造型对跨声速涡轮叶栅端壁传热特性的影响

为有效评估实际燃气涡轮叶栅进口端壁不重合和轴对称收敛端壁造型对叶栅端壁传热特性的影响,以某工业燃气涡轮第一级跨声速导向叶栅为研究对象,基于商用CFD软件ANSYS Fluent 15.0,研究了3种端壁结构:简化平板端壁、具有子午面轴对称收敛造型的实际涡轮叶栅外端壁(叶顶)和内端壁(叶根)在设计工况(进口湍流强度为16%,出口马赫数为0.85)下的流动和传热特性。计算分析了2种进口端壁不重合度(进口后向台阶高度为0、 6.78 mm)下,3种叶栅端壁结构的端壁热负荷分布、近端壁二次流结构和后台阶涡系发展。结果表明:轴对称收敛端壁造型和进口端壁不重合均会显著改变叶栅端壁二次流结构和热负荷分布规律;轴对称收敛端壁造型可在一定程度上减小端壁热负荷,尤其是叶片前缘肩部和喉部下游等易发生热腐蚀的冷却气膜难以覆盖区域;燃气涡轮实际运行中产生的进口端壁不重合导致叶栅前缘上游典型高传热区面积和强度(增大约140%)显著增大并向叶栅通道内迁移,使叶栅端壁承受着极高热负荷;实际燃气涡轮第一级导向叶栅端壁冷却方案设计必须充分考虑实际端壁造型结构和燃烧室-涡轮交界面端壁不重合对端壁热负荷分布的影响。      

高压级涡轮非轴对称端壁造型数值研究

非轴对称端壁造型在叶轮机械的设计中得到了越来越多的重视.本文以某高压涡轮为研究对象,通过对端壁面上凸、端壁面下凹和轴对称端壁流场的数值模拟,分析了非轴对称端壁造型对涡轮性能的影响,探讨了非轴对称端壁造型降低流场二次流流动损失的机理.结果表明:采用非轴对称上凸端壁可提高涡轮气动效率0.57%,而采用非轴对称下凹端壁则导致效率下降0.56%,合理使用非轴对称端壁造型技术可有效降低二次流流动损失并提高涡轮气动性能.     

导叶端壁全气膜冷却实验研究

利用瞬态实验的方法研究了导叶端壁的换热以及气膜冷却特性.通过实验分析对比了不同雷诺数(Re)下的端壁换热特性,并得到了准则关系式.针对端壁区域复杂的换热,设计了一种新型的端壁全气膜冷却布置.对比不同的进口吹风比情况下的换热情况,在低的进口吹风比状态下,即Minlet为0.7～1.5之间,冷气射流对于前缘和尾缘的覆盖很好.     

槽缝射流和泄漏间隙对轴对称涡轮端壁换热特性的影响

为了研究槽缝射流和泄漏间隙对一级涡轮导叶轴对称端壁换热特性的影响,利用R35C15W型宽带液晶和稳态测温技术在高速叶栅风洞试验台进行了端壁换热特性的实验研究.在无槽缝射流时,研究了叶栅进口雷诺数(Re=2.2×105,2.8×105和3.4×105)对端壁换热特性的影响;在有槽缝射流条件下研究了射流质量流量比(0.6％...     

槽缝射流对高负荷涡轮非轴对称端壁冷却性能的影响研究

基于端壁静压分布造型方法,本文针对带有槽缝射流的高负荷涡轮,分别研究了全局及局部造型下端壁冷却性能的变化规律,揭示了不同入射角及槽缝结构对非轴对称造型端壁冷却性能的影响机理。研究表明：非轴对称端壁造型可以显著改变静叶端区气冷特性。造型端壁可通过抑制二次流强度,降低叶栅总压损失系数达0.364%;相比常规端壁,造型端壁冷气有效覆盖面积最大增大13.57%,但横向平均气膜有效度降低;造型端壁可以改善大倾角槽缝射流的冷却效果;使用相切圆弧的槽缝入射段结构后,造型端壁较平端壁有效冷却面积增大了11.51%。     

短扰流柱排端壁的平均换热实验

为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的端壁换热情况,针对梯形通道高稠度短扰流柱排,沿着弦向和径向都有出流或只沿径向出流的情况,通过实验测量了端壁换热分布,研究了弦向出流比(0.25～1)和弦向出流雷诺数(3×104～9×104)对端壁换热的影响。实验结果表明:(1)端壁平均努塞尔数随着雷诺数增加而增加,随着出流比的增加先下降,出流比从0.75到1平均努塞尔数又略增加。(2)不同出流比情况下,沿着弦向和径向努塞尔数的变化具有不同的规律。     

压气机通道端壁附面层区叶片载荷分布研究

为了探索叶片载荷分布对端壁附面层区流动的影响,设计出3套平面叶栅,叶片载荷分别趋前、居中和靠后。对于低速流动,采用实验和三维Navier-Stkoes方程方法对叶片表面、叶栅出口流场进行了研究。研究表明:叶片载荷靠后叶片(No.3)性能较叶片载荷趋前(No.1)和居中(No.2)叶片差;No.2叶片与No.1叶片比较,出口损失小,但落后角较大,扩压能力较小;在进口端壁附面层一定时,叶片前缘附近的端壁附面层区叶片力亏损变化与叶片力变化呈正相关;端壁面与叶片吸力面之间构成的角区内角涡,没有造成靠近后缘端壁附面层区吸力面静压明显下降。      

弯-掠叶片对压气机叶栅端壁流动的控制作用

利用数值和实验方法对气动弯掠在压气机叶栅中的作用机理进行了研究。结果表明,相对于网格数目和网格类型,进、出口边界条件和湍流模型对计算和实验结果吻合的影响要大。叶片前掠改变了叶栅的三维压力场,使得低能流体重新分配。正弯与前掠的结合进一步加强了这种控制作用,为叶片设计提供了一个自由度。     

大子午扩张涡轮的根部型线研究

大子午扩张涡轮具有外壁侧来流易分离、导叶出口径向压差较大等特点,对根部型线优化改型和原型进行全三维数值模拟,分析了下端壁叶型型线对流动的影响,并研究了根部型线设计特点.结果表明:优化根部型线,能够合理的对栅前流量径向分布进行调整,减弱甚至消除顶部来流分离,改善顶部流动;同时,此叶型也能合理的改善出口马赫数分布以及出口压力径向分布,减弱和消除吸力侧出口S₁面分离的径向流动,改善根部流动.      

不同约束条件下跨声速涡轮叶栅伴随气动优化设计

发展了一种简化的基于无反射边界理论的伴随方程进出口边界条件确定方法,研究了考虑不同约束的叶片气动外形优化设计。研究结果表明:采用流动强耦合的简化伴随方程进出口边界条件确定方法,能够确定精度较高的伴随灵敏度,在不同类型的伴随气动优化设计中均具有较好适用性。无约束的出口质量熵优化后,出口质量熵降低0.253%,流道面积和出口气流角变化较大。分别考虑出口气流角气动约束、流道面积几何约束和同时考虑上述两种约束的影响,优化后出口质量熵分别降低0.176%、0.227%和0.164%,优化后叶片气动性能显著提升,且满足约束条件。改变叶型曲率能有效减弱激波强度,吸力面前段曲率降低时,流动减速、出口气流角增大,吸力面前段曲率变化较小时,出口气流角约束较好。      

Influence of coupled boundary layer suction and bowed blade on flow field and performance of a diffusion cascade

Based on the investigation of mid-span local boundary layer suction and positive bowed cascade, a coupled local tailored boundary layer suction and positive bowed blade method is developed to improve the performance of a highly loaded diffusion cascade with less suction slot. The effectiveness of the coupled method under different inlet boundary layers is also investigated.Results show that mid-span local boundary layer suction can effectively remove trailing edge separation, but deteriorate the flow fields near the endwall. The positive bowed cascade is beneficial for reducing open corner separation, but is detrimental to mid-span flow fields. The coupled method can further improve the performance and flow field of the cascade. The mid-span trailing edge separation and open corner separation are eliminated. Compared with linear cascade with suction, the coupled method reduces overall loss of the cascade by 31.4% at most. The mid-span loss of the cascade decreases as the suction coefficient increases, but increases as bow angle increases. The endwall loss increases as the suction coefficient increases. By contrast, the endwall loss decreases significantly as the bow angle increases. The endwall loss of coupled controlled cascade is higher than that of bowed cascade with the same bow angle because of the spanwise inverse ‘‘C" shaped static pressure distribution. Under different inlet boundary layer conditions, the coupled method can also improve the cascade effectively.     

基于冷态叶型生成叶片加工坐标的方法

建立了基于冷态叶型生成叶片加工坐标的方法,包括排序、插值加密、叠加位移量、去倒圆及端区叶型拟合等步骤.以某多级轴流压气机为例,应用该方法生成的加工坐标叶片除端区外主流通道叶高内误差在0.01mm以下,叶片表面波纹度和前后缘曲率良好.通过进口级的数值模拟表明:该方法生成的加工坐标叶片与冷态叶型的误差对气动性能影响小,流量-总压比-等熵效率特性变化微小,叶片进出口气流速度、方向及流场细节等变化较小,满足工程应用的需求.      

单转子轴流压气机不同状态下进出口三维时均流场

用圆锥四孔高频压力探针测量了单转子轴流压气机不同流量状态下, 转子进出口三维时均流场。结果表明, 压气机转子进口流动沿周向呈现较强的周期性变化, 尤其在近失速状态, 叶片压力面侧总压和静压高, 吸力面侧总压和静压低, 而前缘附近轴向速度低、相对气流角大。      

吸力面翼刀对压气机叶栅内二次流的影响

1引言在叶轮机械叶栅内流动控制中,可以通过在叶片吸力面、端壁上安装翼刀或隔片,控制二次流的发展,降低二次流损失,其中将翼刀加装在吸力面上的控制方式即为吸力面翼刀控制技术。吸力面翼刀主要是通过阻断端壁附面层和叶片吸力面附面层近端壁处低能流动沿吸力面的展向迁移来对     

倾对某单排叶片进口流场的影响机理

采用降维的方法考察了倾对某单排叶片进口流场的影响,利用进口流场的变化解释了倾改善端壁流动的机理.通过推导周向平均的Navier-Stokes(N-S)方程得到了周向不均匀源项的表达形式.在均匀来流条件下,周向不均匀源项的径向和周向分量在叶片通道前已经存在,表征了进口流场周向不均匀性的强弱.通过对不同倾叶栅模型的三维数值计算和周向平均后处理发现,倾会改变叶片通道进口周向不均匀源项的大小和分布,引发进口气流的径向迁移,其中正倾使进口气流有从叶根到叶尖的迁移趋势,从而可以改善端壁的流动,负倾的作用与之相反.来流马赫数、叶片稠度和安装角等气动设计参数也会对倾叶片进口周向不均匀源项产生影响,过高的来流马赫数和过大的安装角均不利于体现倾对进口流场的作用效果.      

基于CFD结果的轴流压气机附面层堵塞计算方法

为研究轴流压气机附面层堵塞计算方法,提出一种基于计算流体力学结果自动提取附面层厚度的多参数组合方法,该方法整合了多种附面层判断准则,可有效避免单参数判断准则的局限性。通过多个算例,包括二维平板、多级轴流压气机端壁、进口导流叶片以及带有分离区的静子叶片等,对该多参数判断准则进行了检验。结果表明,此附面层提取方法具有很好的有效性和普适性。该研究建立了多级轴流压气机中端壁堵塞从高维向低维模型的反馈,为压气机设计体系改进提供了更多可能。