周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究

为了验证周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的效果，本文在GE-E³高压涡轮第一级的机匣上引入周向单槽式机匣处理，通过数值模拟手段研究了周向单槽的轴向位置、槽宽和槽深对叶尖泄漏流调控的影响及周向单槽调控叶尖泄漏流的物理机制。结果表明：周向单槽的引入虽然会使叶尖泄漏涡尺寸变大，但会显著降低叶尖泄漏涡及机匣通道涡的强度，使得涡轮转子通道内流动总损失降低，涡轮级效率提高。在设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽，可以使涡轮转子通道内的流动损失相对减小9.10%，涡轮转子的效率提高0.40%，级效率提高0.85%。同时发现设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽结构，在非设计工况时也有良好的控制效果。     

基于数值模拟的矩形凹槽对直通型篦齿封严特性影响研究

为了提升封严篦齿的封严性能,对在机匣上开设矩形凹槽的直通篦齿结构中的流动特征和封严性能进行了数值模拟,获得了凹槽篦齿的涡流结构、泄漏系数和封严效率,并与光滑篦齿的结果进行了对比.研究了凹槽尺寸、相对位置及压比和转速的影响.计算表明,矩形凹槽宽深比是影响凹槽篦齿封严性能的重要参数,当宽深比大于临界值时,相对于光滑齿的封严效率可大幅提升到15％左右.凹槽与篦齿间的轴向相对位置在一定范围内对凹槽齿的泄漏系数影响微小.数据还显示,压比和转速对凹槽齿的封严性能影响微小.     

齿型对压气机级间封严特性影响的实验研究

为了对比不同齿型下压气机级间封严特性,对基准常规齿、直通针型齿、直通宝塔齿和台阶斜齿时的级间篦齿封严进行了实验研究。在压比1.05~1.30,转速0~8.1kr/min时对不同齿型的工作间隙、泄漏流量、风阻温升和出口盘腔的旋转比进行了测量。基准常规齿是级间最常用的篦齿结构,将其他三种齿型下级间封严的泄漏特性、温升特性和旋流特性与其进行对比。结果表明:随着齿顶间隙的增大,基准常规齿的流量系数先增大后减小,在间隙c=0.8mm附近有最大值;相同间隙时,台阶斜齿的封严效果最好,其流量系数比基准常规齿时小40%左右。直通针型齿、直通宝塔齿的封严效果略优于基准常规齿,三者相差不大;但是,泄漏流量越小,级间封严的温升和旋流越大。压比1.30时台阶斜齿与基准常规齿的温升比为1.5左右。另外,高转速时台阶斜齿比基准常规齿的旋转比大18%左右。     

机匣造型设计对涡轮叶尖泄漏流损失的影响

针对带叶尖间隙的T106高负荷低压涡轮叶栅,基于耦合了Langtry-Menter转捩模型的Menter's SST (shear stress transport)两方程模型,数值研究了涡轮叶片全机匣造型和部分机匣造型对叶尖泄漏损失的影响.计算结果表明:机匣造型设计的引入重新组织了叶尖区域内的涡系结构及损失成分,且这一改变明显受到机匣造型圆弧高度的影响;叶尖间隙内靠近压力面分离泡的展向尺度增大,分离泡形成的堵塞效应降低了叶尖泄漏流动能;而部分机匣造型处理可以缓解叶片通道内因局部扩张而引起的横向流动,使得出口展向损失减小区域进一步扩大,从而造成叶栅出口损失的明显下降;相对原始机匣,最大降幅可达6.1%.间隙敏感性分析表明,两种机匣造型在一定的间隙范围内能够有效降低叶尖泄漏流损失,而且部分机匣造型具有更宽的有效间隙范围和更大损失减小量.      

低泄漏高寿命刷式封严的数值计算

通过空气动力学计算方法探索新型低泄漏高寿命三层片式刷式封严结构。利用商用计算流体力学软件STAR-CD,用定常可压缩N-S方程对刷封进行三维流动模拟,计算不同压差下的泄漏情况。以泄漏量作为评价指标,确定新型刷式封严结构的密封特性并对其进行改进。计算结果表明:随着进出口压差的增大,泄漏量增大;改进的封严刷环结构泄漏性能优于简单的片式刷封结构;"70度模型"的泄漏性能略好于"75度模型",说明增加层与层间的夹角可以达到减少泄漏量的效果。      

不同凹槽叶尖对双级涡轮气动性能的影响

利用数值模拟方法,研究了双级涡轮环境下常规凹槽叶尖和吸力面肋条尾缘开缝凹槽叶尖对泄漏损失的影响。基于叶尖端区流动结构,探讨了吸力面肋条尾缘开缝凹槽几何对叶尖泄漏损失的影响及上游凹槽叶尖对下游气动损失的影响机理。结果表明,相比常规凹槽叶尖,吸力面肋条尾缘附近合理的开缝结构不仅能增强刮削涡对泄漏流动的控制作用,而且还能减小叶尖中下游泄漏流与主流的夹角,对涡轮级气动性能的提升更加有利。在双级涡轮环境中,第一级转子凹槽叶尖对第二级涡轮气动性能的作用不可忽视。第一级转子凹槽叶尖通过控制泄漏涡的发展降低下游静子机匣边界层速度梯度,从而减弱了静子机匣通道涡强度,进而减小了第二级静子气动损失。     

不同叶尖间隙下的涡轮转子出口 三维流场测量

采用圆锥四孔高频压力探针测量了某涡轮不同叶尖间隙下转子出口的三维时均流场.结果表明转子出口参数均呈现明显的周期特性.叶尖间隙对转子出口流动品质有较大影响;间隙大时,泄漏流显著,对应的机匣二次流动较弱;间隙小时,机匣附近的二次流动较强.泄漏流区域的速度低,对应的相对总压小,损失大;泄漏流导致气流亏转,对应的静压高,膨胀程度小于主流,增大间隙,膨胀比变小,涡轮做功能力下降.      

低泄漏高寿命刷式封严的实验研究

以相似理论为依据,通过空气动力学的实验方法探索新型低泄漏高寿命3层片式刷式封严结构。以空气泄漏量作为评价指标,确定新型刷式封严结构的密封性并对其进行改进。实验结果表明:改进的3层片状刷式封严结构的密封泄漏特性优于简单的片状刷封结构;随着3层片状刷封进出口压差的增大,泄漏量也随之增大。      

高压涡轮封严流与主流相互作用的机理研究

为探究高压涡轮轮毂封严流与主流相互作用的机理，借助经过实验校核的数值模拟方法，详细分析了封严流对主流端区二次流结构的影响以及封严流与主流的相互作用过程。研究发现：一方面，主流从叶片前缘位置侵入封严结构内部，在封严出口处形成封严回流涡，并在封严结构内部诱导出一个反向涡，这两个涡直接影响封严结构的封严效率；另一方面，封严出口处封严回流涡与叶片通道内的马蹄涡压力面分支在流向上旋转方向一致，互相融合并增强通道涡强度。封严结构决定了封严回流涡流出的位置和速度方向，直接影响封严回流涡与马蹄涡压力面分支的相互作用过程，从而决定了损失的大小。研究还发现，当封严流和主流在封严出口交界面上流量相当且存在一定的周向速度差时，封严出口会发生Kelvin-Helmholtz不稳定现象。此时伴随大量边界层低能流体进入封严结构内，封严流周向速度减小，马蹄涡的压力面分支和封严回流涡随之减弱，继而使端区二次流损失减小。     

叶顶抽吸对叶栅间隙泄漏流动的控制研究

为了控制压气机叶尖间隙泄漏流动,减少叶尖泄漏流和泄漏涡对压气机内部流场带来的不利影响,数值模拟研究了在压气机叶栅叶顶位置沿叶片中弧线开槽抽吸对叶尖泄漏流的控制效果,并与端壁流向开槽抽吸方案进行了对比分析。研究结果表明:叶顶抽吸和端壁抽吸直接通过影响叶尖泄漏流的结构形态,减弱间隙泄漏流强度和影响范围,从而提升压气机/叶栅性能。叶顶中游抽吸方案Slot TB对于泄漏流与泄漏涡的控制效果优于叶顶上游抽吸方案Slot TA;而机匣端壁上游抽吸方案Slot CA相较于中游抽吸方案Slot CB对叶顶流场改善效果更佳。叶顶抽吸和端壁抽吸在抽吸量为0.6%时分别可以使总压损失系数下降约3.3%和7.2%。     

低速轴流压气机周向单槽机匣处理扩稳实验研究

周向槽机匣处理作为一种有效的扩稳措施得到了广泛应用,但是缺乏对其机理的深入理解和认识。为此,在一台低速单转子轴流压气机上考察了周向单槽机匣处理随轴向位置变化的扩稳效果。实验中获得了单槽不同轴向位置的扩稳规律,在该台压气机上得出了扩稳效果最好的槽位于40%~60%轴向弦长,而当单槽位于27%轴向弦长附近时,其扩稳效果最差。在此基础上,选取了最优扩稳槽位和最差扩稳槽位进行详细的壁面非定常流场测量和尾迹测量,对比分析了光壁条件与各单槽处理机匣对叶顶间隙泄漏流和转子尾迹的影响。结果表明,采用扩稳效果最优槽位之后,周向单槽能推迟叶顶间隙泄漏流与主流交界面前移,以及减弱叶顶间隙泄漏流非定常性,且能明显增强尾迹区1BPF(叶片通过频率)的能量,同时减弱0.5BPF的能量,达到扩稳的目的。而对于扩稳效果最差槽位而言,叶顶间隙泄漏流与主流交界面直到失速前也无法跨过单槽从叶片前缘溢出,周向单槽改变了叶顶间隙内部诱发突尖失速先兆的扰动传播方式;另外,其对转子尾迹区0.5BPF和1BPF的影响也比较小,从而使得其扩稳效果减弱。     

Numerical Investigation of Inlet Distortion on an Axial Flow Compressor Rotor with Circumferential Groove Casing Treatment

On the base of an assumed steady inlet circumferential total pressure distortion, three-dimensional time-dependent numerical simulations are conducted on an axial flow subsonic compressor rotor. The performances and flow fields of a compressor rotor, either casing treated or untreated, are investigated in detail either with or without inlet pressure distortion. Results show that the circumferential groove casing treatment can expand the operating range of the compressor rotor either with or without inlet pressure distortion at the expense of a drop in peak isentropic efficiency. The casing treatment is capable of weakening or even removing the tip leakage vortex effectively either with or without inlet distortion. In clean inlet circumstances, the enhancement and forward movement of tip leakage vortex cause the untreated compressor rotor to stall. By contrast, with circumferential groove casing, the serious flow separation on the suction surface leads to aerodynamic stalling eventually. In the presence of inlet pressure distortion, the blade loading changes from passage to passage as the distorted inflow sector is traversed. Similar to the clean inlet circumstances, with a smooth wall casing, the enhancement and forward movement of tip leakage vortex are still the main factors which lead to the compressor rotor stalling eventually. When the rotor works trader near stall conditions, the blockage resulting from the tip leakage vortex in all the passages is very serious. Especially in several passages, flow-spillage is observed. Compared to the clean inlet circumstances, circumferential groove casing treatment can also eliminate the low energy zone in the outer end wall region effectively.     

周向槽机匣对轴流压气机转子畸变响应特性的影响

基于给定的进气周向总压畸变谱,应用全三维数值计算方法,研究了周向槽处理机匣对NWPU-1轴流压气机转子容畸变特性的影响,初步揭示了其在进气周向总压畸变条件下的失速机理。结果表明,在均匀进气条件下,周向槽处理机匣对叶尖间隙泄漏涡形成和发展的抑制是其扩稳的主要原因;在进气周向总压畸变条件下,该轴流压气机转子失速的主要原因是畸变引起的攻角变化,造成部分叶片的负荷过重,由于周向槽处理机匣的作用主要在叶尖部分,所以并不能有效的扩大该压气机转子的稳定工作范围。     

间隙流触发压气机内部流动失稳机制及周向槽扩稳机理

利用高频响动态压力传感器对某低速轴流压气机转子的失速先兆和顶部流场进行了详细的测试,探明该压气机内部存在与叶顶间隙泄漏流相关的突发型失速先兆,对压气机转子内部流场进行了单通道定常和非定常数值模拟,详细分析了压气机内部流动失稳过程中顶部流场结构的变化,揭示顶部间隙泄漏流触发轴流压气机内部流动失稳机理.在此基础上,利用周向槽处理机匣结构对顶部间隙泄漏流进行控制,并探讨了周向槽处理机匣结构提高压气机稳定工作裕度机理.      

组合型机匣处理提高轴流压气机稳定性的机理

用全通道非定常计算方法研究了轴向倾斜缝、自适应机匣处理及两者形成的组合型机匣处理对亚声速轴流式转子稳定工作范围的影响,结果表明:轴向倾斜缝、自适应机匣处理及组合型机匣处理取得的综合裕度改进量分别为12.86%,16.47%及22.72%,其中组合型机匣处理扩稳效果最强,自适应机匣处理次之.通过详细地分析压气机内部流场表明,组合型机匣处理削弱了叶片吸力面气流分离带来的不良影响.从喷气装置流出的高速气流抑制了叶顶间隙泄漏流从相邻叶片叶顶前缘溢出的现象,部分叶片通道受到轴向倾斜缝的作用,泄漏流线被抽吸入缝中,也能抑制前缘溢流的产生.     

进口畸变下新型处理机匣改善压气机性能的机理研究

为了揭示进口畸变下,处理机匣改善压气机性能的机理,采用全通道非定常计算方法研究了进口畸变时新型处理机匣-自适应流通处理机匣对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,数值模拟中进口总压畸变通过在进口径向段布置栏杆实现。数值结果表明,进口畸变后采用自适应流通处理机匣能够提高转子的性能,其中效率的增加效果比总压比的明显,并获得近6.8%的综合失速裕度改进量。通过详细地分析压气机内部流场表明,处理机匣后使部分叶顶通道吸力面附面层分离起始位置向后缘移动,最大后移距离约为11%叶顶弦长,削弱了叶顶通道由气流分离造成的不良影响,并抑制叶顶间隙泄漏流从相邻叶片叶顶前缘的溢出,当喷气装置对准叶片通道时,其抑制前缘溢流的效果才是最佳的。     

带周向单槽的低速轴流压气机失速起始过程

为了深入认识周向槽轴向位置对压气机失速机制的影响规律,针对某叶尖敏感的低速单转子压气机开展实验测量与数值模拟相结合的研究。实验与计算结果均表明,位于叶片弦长中部的周向单槽扩稳效果最好,而位于叶片前缘下游20%~30%轴向弦长位置的周向单槽扩稳效果最差。进一步分析了利用非定常、多通道计算模型获得的数值结果,发现对于光壁机匣和扩稳效果最好的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下到达叶片前缘位置,压气机通过突尖型失速先兆进入失速状态;对于扩稳效果最差的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下仍位于叶片通道内部距离叶片前缘20%的轴向弦长位置,压气机经历了由准模态型失速先兆向突尖型失速先兆转换的失速起始过程。     

周向槽调控轴流压气机非定常间隙泄漏流机理初探

以某压气机转子为载体,针对其顶部间隙泄漏流的非定常特性,设计了一种周向槽处理机匣,利用数值模拟的方法研究了其对压气机转子性能及顶部非定常间隙泄漏流动特性的影响,结果表明:该处理机匣的引入能够在不恶化压气机性能的前提下使得其流量裕度提高约6.5%。与实壁机匣结构相比,周向槽处理机匣减小了间隙泄漏流轴向动量,抑制了叶顶间隙泄漏流非定常性的出现,从而提高了压气机的稳定工作裕度。     

桥式槽处理机匣的扩稳机理研究

利用数值模拟的手段对桥式槽处理机匣的失速机制和扩稳机理进行研究。通过与实壁机匣和全通槽处理机匣的对比分析结果表明:叶尖泄漏和叶片吸力面的分离均会引起叶尖通道堵塞,进而诱发失速。在实壁机匣情况下叶尖泄漏流堵塞叶尖通道是诱发失速的主要原因;全通槽和桥式槽处理机匣均能减弱叶尖泄漏流强度,但是全通槽处理机匣加剧了吸力面的分离,这造成了较大的效率损失;而桥式槽处理机匣能够通过改变抽吸区和喷气区的面积大小控制泄漏流和分离流引发的流道堵塞,从而在裕度提升和效率损失之间取得平衡。研究表明:喷气区面积越大,叶尖攻角越大,吸力面分离越强,压气机效率越低;抽吸区面积越大,泄漏流越弱,压气机的失速裕度越大。     

槽式机匣槽宽变化对扩稳效果影响的试验与数值研究

 采用试验与数值手段研究周向凹槽槽宽变化对压气机性能的影响,在一亚声速转子上进行3种不同槽宽的周向槽处理机匣试验。试验结果表明3种不同槽宽的机匣处理都提高压气机的失速裕度,最小槽宽的扩稳效果最好,其他两宽槽次之。数值计算所获得总性能与试验结果符合良好。通过详细地分析凹槽槽宽变化对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了周向槽槽宽对压气机性能影响的流动机理。