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。     

基于磁共振测速的复合冷却涡轮叶片流动分析

针对传统光学测量技术难以完整地测量涡轮叶片复杂冷却结构内部三维流场的问题，采用磁共振测速（MRV）技术测量了一种复合冷却涡轮叶片内部的三维流场，并重点研究了叶片尾缘的流动特征。在通过MRV数据验证计算流体力学（CFD）准确性和可靠性的基础上，进一步通过CFD研究了全高、半高扰流柱对尾缘弦向出流的影响。结果表明，MRV成功地捕捉到了复合冷却涡轮叶片内部流动特征（如扰流柱和半劈缝处的漩涡结构等）。CFD与MRV数据在尾缘处有一致的出流趋势：气膜孔出流量沿展向逐渐减小，而半劈缝出流量沿展向逐渐增大。通过不同扰流柱设计的尾缘CFD对比发现，全高、半高扰流柱对尾缘流动的影响主要在于增大了流阻和出流的驱动压差，进而改变了出流情况，使得气膜孔整体出流量增大约2.8%，半劈缝整体出流量减小约2.8%。     

考虑冷气喷射的涡轮叶栅尾缘损失理论分析

 基于Denton 的尾缘流动理论, 发展了一种考虑冷气喷射的二维、可压涡轮叶栅尾缘混合损失模型,研究了涡轮叶栅尾缘损失的特征, 定量评估了影响尾缘损失的各种参数。研究表明, 冷气流量是影响尾缘损失的一个重要参数, 对于主流马赫数为11 1 的典型情况, 冷气流量从0 增大到10%, 损失增大315 倍。叶片尾缘基压变化对损失也具有明显的影响, 其它影响损失的参数包括叶栅出口位置边界层动量厚度、冷气总压、叶栅尾缘厚度等。     

大膨胀比跨声速涡轮流动结构及损失的数值研究

为了揭示跨声速大膨胀比涡轮损失的主要特点和两种不同尾缘冷却方式对损失的影响,以典型大膨胀比跨声速涡轮和跨声速叶栅为研究对象开展了数值研究。研究发现大膨胀比跨声速涡轮的主要损失是叶型损失,占到总损失的65%左右,尾缘激波损失是叶型损失的主要来源。尾缘全劈缝冷气入射通过提高尾缘基压区基压来减少尾缘膨胀波对气流的加速程度,从而降低最高马赫数和激波损失,尾缘压力面劈缝冷气入射通过改变叶片尾缘压力面激波波系结构,使原来的一道激波变成两道或者两道以上的弱激波,从而减少激波损失。两种尾缘冷气方式都有利于降低大膨胀比跨声速涡轮激波损失,但压力面劈缝冷气入射方式效果更为明显。     

发动机高压涡轮工作叶片内型结构分析与改进

综述了高压涡轮工作叶片的改进设计过程。采用前腔直接进气,以减少冷气在回流过程中的压力损失,保证了前缘冷气和燃气的压比,解决了由于冷气进口压力较低燃气可能倒流的问题。尾缘采用全劈缝,解决了采用半劈缝时在高度为10km,马赫数为2．0的状态（以下简称热1状态）下尾缘叶背温度过高的问题。同时在冷气拐弯处增加了导流片,降低了冷气涡流损失。     

涡轮叶片尾缘凹坑/凸起结构气膜冷却特性研究

为探究吸力面凹坑和凸起结构对涡轮叶片尾缘气膜冷却特性的影响,在吹风比M=1.1时(雷诺数Re=2.5×10~5),采用数值模拟方法,通过在叶片尾缘吸力面上加入凹坑或凸起,对涡轮叶片尾缘的冷却性能和流动机理进行了详细分析。结果表明:与原始结构相比,叶片尾缘凹坑和凸起结构提高了劈缝出口下游远距离端X/H6 (H为劈缝宽度,为4.8mm)区域气膜冷却效率,对下游的X/H6区域气膜冷却效率影响较小;三种叶片尾缘结构,沿着流向方向会产生由二维展向涡到发卡涡,再到流向涡的变化过程,凹坑和凸起结构通过抑制流体的扰动,改变流体流动情况,提高了劈缝出口下游远距离端气膜冷却效率。     

冷气对多级涡轮翘曲S1流面优化的影响

设计以翘曲S1流面优化为核心的多级涡轮气动优化流程,研究气膜冷气、尾缘冷气、端壁冷气对优化可靠性和有效性的影响。该流程能够对多种叶高处带叶片冷气的多级翘曲S1流面进行并行优化,提高了优化的可靠性。对两级高压涡轮给定三种叶片冷气方案:包括气膜冷气和尾缘冷气的叶身冷气、气膜冷气、无叶片冷气,分别进行翘曲S1流面优化设计。优化后翘曲S1流面平均气动效率分别提高0.20%、0.38%、0.07%,涡轮气动效率分别提高0.33%、0.32%、0.26%,优化的可靠性较好。分析可知,气膜冷气增强了径向二次流动,降低了优化的有效性,尾缘冷气则部分削弱了气膜冷气的消极作用;下端壁冷气较上端壁冷气对端区二次流的作用强,因此前者对翘曲S1流面优化的积极作用更好。     

导向器尾缘结构面积变化对涡轮性能的影响

涡轮导向器尾缘的精细结构由于加工误差的存在,会导致流道流通面积的改变,进而会使涡轮性能发生改变.从实际工程问题出发,采用数值模拟的方法,研究了某型发动机低压涡轮导向器尾缘的“劈缝”冷却结构由于变形导致的尾缘前后(叶盆尾缘处流道面积T1和叶背尾缘处流道面积T2)面积变化对涡轮流场和性能的影响.研究结果表明:在设计状态下,涡轮的喉道为T2;当T2大于设计值时,涡轮功率和涡轮流量变大,涡轮效率和涡轮功变小,但是涡轮的功率存在一个最高值的T2;当T1大于设计值时,涡轮效率和涡轮功增加.     

尾缘冷气喷射对超声涡轮叶栅性能的影响

采用试验与数值模拟相结合的方法,研究了某超声速涡轮导向叶栅尾缘冷气喷射对叶栅流场结构的影响。数值模拟时,使用环形叶栅模型近似模拟平面叶栅内的流动。研究结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好;尾缘冷气喷射可减少主气流在尾缘停滞区的能量耗损,削弱叶栅尾缘处的内边缘激波,叶栅气动效率随冷气量的增加先增大后减小;尾缘冷气喷射对叶栅出口附近气流角的周向分布有影响,但对质量平均的叶栅出口气流角基本无影响。     

气热耦合条件下涡轮动叶叶型与冷却结构优化

为改善叶片表面温度场,提高叶片气动效率,对燃气涡轮动叶进行了针对叶型以及冷却结构的气热耦合优化。优化结果表明:对冷却结构以及叶型优化后,叶片表面最高温度降低13.64K,平均温度降低6.46K,尾缝冷气出口温度提升6.81K,尾缝出口马赫数由0.24增大至0.30,高温函数降低85.20%,气动效率提高0.58%。通过分析,对该涡轮动叶,尾缘第三腔冷气流动速度的增大及第三腔叶顶冷气低速漩涡区的缩小是减小叶片表面温度的主要因素;型面压差减小导致横向二次流损失的降低及三个截面马赫数减小导致的激波损失降低是减小气动损失的主要因素。     

开槽处理技术对叶片尾缘气流流动特性的影响

提出了从叶片压力面向吸力面开槽的处理技术, 设计了在80%～94%h叶高位置的叶片尾缘处的开槽方案, 对叶片开槽处理后的压气机工作流场进行了数值分析.结果表明:小槽进口对叶片压力面附面层低速气流具有一定的抽吸作用, 使部分压力面附面层气流和部分主流被吸入小槽并进行加速, 这股气流将从小槽出口流出, 它能够对叶背尾缘附面层内低速气流进行加速, 从而控制或延缓附面层气流分离, 并进一步减弱了尾缘附面层分离气流与叶片尾流的掺混.深入分析流场发现, 小槽出口气流还可以控制吸力面附面层气流沿叶根向叶尖的潜移, 从而防止大量附面层气流在叶尖堆积.因此采用开槽处理技术能够有效改善叶片尾缘流场的流动特性, 提高流场的稳定性.      

突肩叶尖尾缘开槽对间隙流动换热特性的影响

通过数值计算对带有尾缘开槽结构的突肩叶尖间隙流场结构、泄漏流量、泄漏损失、表面传热系数进行了对比研究.研究结果显示:相比全突肩叶尖,吸力侧尾缘开槽突肩叶尖可以改变开槽附近泄漏流的流动路径,有效抑制其与主流的掺混.压力侧尾缘开槽和吸力侧尾缘开槽均会增加间隙泄漏流量.压力侧尾缘开槽突肩叶尖会增加间隙泄漏损失,开槽长度越大损失越大.研究范围内的吸力侧尾缘开槽均会减小间隙泄漏损失,但存在最佳开槽长度.压力侧和吸力侧尾缘开槽均会轻微地增加叶尖表面传热系数.      

具有热障涂层的导向叶片耦合数值研究

利用气固耦合换热方法，对具有热障涂层（TBC）的、高度一体化的一级透平导向叶片的流动和换热特性进行了数值研究。结果表明:在接近真实透平高温高压运行的环境下，TBC对于叶栅通道的气动特性影响可以忽略不计；在冷气流量被减少的情况下，TBC在叶片前缘依然可以明显降低叶片金属表面温度和传热系数；但是，随着冷气流量的减少，TBC的作用在压力面尾缘急剧下降，在吸力面尾缘缓慢下降。对3个高度截面的平均金属温度定量比较得出:在同等冷却效率的条件下，厚度为0.15mm的TBC可以节约20%~30%的冷气流量。      

转子叶尖开缝对跨声速轴流压气机性能及流场结构影响机理研究

为了研究转子叶尖开缝对跨声速轴流压气机性能和流场结构的影响机理,设计了一种渐缩式射流缝,提出在转子叶尖不同相对位置开缝的流动控制方案,通过数值计算的方法对各开缝方案与压气机的流场进行对比分析.结果表明,开缝位置靠近前缘时压气机总压比提升了1.39％,但综合稳定裕度降低了0.18％;开缝位置靠近尾缘时,压气机总压比提升了...     

尾缘冷却跨声速涡轮气动特性的数值模拟

为了明确跨声速涡轮中尾缘冷却措施的引入对其气动性能的影响,针对跨声速涡轮叶栅中压力面半劈缝尾缘冷却方式和尾缘全劈缝冷却方式条件下,叶栅性能和尾缘激波系结构的变化进行了数值研究。结果显示,两种尾缘冷却措施都降低了叶栅能量损失系数,压力面半劈缝尾缘冷却方式效果更好,最佳情况损失系数下降达到48%。冷却流量对作用效果有一定影响,存在最佳值。冷却措施的引入显著改变了尾缘激波系结构,尤其对PSEJ冷却方式,将尾缘激波系压力面分支由原本一道强激波分成三道弱激波。     

火焰稳定器射流喷口形状对燃烧性能的影响

为了探讨层缘吹气式火焰稳定器的射流喷口形状对燃烧性能的影响，在来流50m/s，573K条件下，分别对连续长缝、不连续宽缝、均布圆孔三种不同喷口形状的火焰稳定器的燃烧性能进行了实验研究，对比了它们的贫熄特性、燃烧效率和流阻损失。研究发现，在实验条件范围内，连续长缝形喷口稳定器的燃烧性能较其他两种不连续喷口稳定器优越，具有较高的燃烧效率、较宽的贫熄边界和较小的流阻损失。     

涡轮径向轮缘密封非定常燃气入侵和封严效率的数值研究

为防止燃气入侵涡轮盘腔,提高运行安全性,对盘腔和轮缘密封间隙内非定常流动机理进行了深入研究。采用数值求解三维URANS（Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes）和SST湍流模型的方法,研究了涡轮径向轮缘密封的非定常燃气入侵和封严效率。数值计算的径向轮缘密封的封严效率和环量比与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。分析了6种冷气流量下径向轮缘密封的非定常压力分布、封严效率和燃气入侵与冷气出流特性。研究表明：冷气流量的增加阻止了径向轮缘密封处的燃气入侵和强化了冷气出流,径向轮缘密封盘腔内的封严效率随着冷气流量的增加而增加;动盘附近的封严效率高于静盘;入侵燃气基本被限制在径向轮缘密封的间隙区域。径向轮缘密封间隙出口处的主流周向时均压力随着冷气流量的增加而增加,周向时均压力最大值与最小值的差值随着冷气流量的增加而减小。当动叶前缘与静叶尾缘距离较近且不断靠近的过程,主流周向压力最大值与最小值的差值增大,动静叶相分离的过程周向压力最大值和最小值的差值减小。在静叶和动叶间非定常干涉作用下,轮缘密封间隙出口区域主流周向压力最大值与最小值差值较大时刻的主流低压区域具有优良的封严效率,同时高压区域的燃气入侵导致封严效率降低。     

喷气流与栅后流场掺混及干扰效应的探讨

应用有效的冷气喷射模型，结合涡轮叶栅三维流场计算程序，对叶片尾缘对开缝喷气进行了数值模拟，从栅后速度场、总压场以及气流角分布角度，研究了射流与主流的掺混及干扰过程，结果表明：采用对开缝喷气的涡轮叶栅，在尾缘附近射流与尾迹的掺混占主导地位，经过一段距离后，尾迹与主流的掺混起主要作用，而且后缘对开缝喷气对尾迹的流动结构及漂移过程有一定的影响。