低损失融合式预旋喷嘴设计与研究

为减小整个预旋系统的流动损失,首先对带预旋集气腔进气孔、预旋集气腔、预旋喷嘴的冷气预旋流路进行了分析,发现进气孔和集气腔会导致预旋喷嘴进口流场不均匀,相较于进口均匀条件,预旋喷嘴总压损失系数增大0.026。在此基础上提出了一种将预旋集气腔进气孔、预旋集气腔和预旋喷嘴融合设计的低损失融合式预旋喷嘴设计方案,分析表明:融合式预旋喷嘴能有效减小冷气在预旋系统内的流动损失,在设计工况总压损失系数减小0.032,并使冷气在预旋系统内流动更加均匀,提升了预旋系统的整体性能。     

盘腔进气位置对径向预旋系统的影响

为减少径向预旋系统的流动损失,运用数值模拟方法对不同盘腔进气位置的径向预旋系统进行分析,结果表明:随着盘腔进气径向位置的增加,预旋喷嘴出口气流旋流比随之逐渐减小,径向预旋系统的温降系数及总压损失系数均随之逐渐增大。当旋转雷诺数等于7.9×106,盘腔进气位置由低位向高位变化时温降系数最大可增加525%,同时总压损失系数增加3.93%。径向预旋系统内比熵增主要发生在预旋喷嘴和共转腔,约占系统总体比熵增的80%。随着盘腔进气径向位置的增加,径向预旋系统总体比熵增降低,预旋喷嘴比熵增占比逐渐增大,共转腔比熵增占比逐渐减小。     

预旋进气小尺寸涡轮叶片冷却的流动换热

为了获得一种具有直通式冷气预旋进气系统的小型燃气轮机涡轮叶片的流动与换热特性,采用气热耦合计算方法进行数值研究,分析了总压损失、冷却效果和涡轮效率随预旋角、冷气雷诺数和无量纲质量流量的变化规律。结果表明,涡轮叶片预旋进气冷却的总压损失随冷气雷诺数和无量纲质量流量的增大而增大,但基本不受预旋角大小的影响;涡轮叶片的冷却效果随预旋角的减小、冷气雷诺数或无量纲质量流量的增大而增强,但不会改变其表面的温度分布特征;预旋进气冷却时的涡轮效率随冷气雷诺数的增大、预旋角或无量纲质量流量的减小而提高。     

预旋结构影响带盖盘预旋系统流动的实验

为探究预旋结构如何影响盖盘系统内的流动特性，对不同预旋角度和进气位置的带盖盘预旋系统进行实验研究，得到了高转速下静盘表面静压和中心面总压的分布、中心面旋流系数、预旋孔排气系数以及腔内流阻系数。结果表明:预旋角度和进气位置分别影响腔内压力分布大小和分布趋势。随预旋比增加中心面旋流系数整体增加，转静腔内旋流系数与无量纲半径的-2次幂存在线性关系。预旋孔排气系数随预旋孔进出口压比的增加而增加。流阻系数随湍流参数增大而上升，随旋转雷诺数的增加而减小。     

叶型预旋喷嘴流动及温降特性实验与计算研究

为了研究转速、压比、雷诺数对叶型喷嘴流量系数及盖板式预旋系统温降的影响,介绍了在压比1.1～1.5,转速0～10kr/min条件下稳定运行的预旋系统旋转实验台。通过实验测量预旋系统内的温度和压力分布,对比分析了两种叶型预旋喷嘴(叶片式喷嘴和叶孔式预旋喷嘴)的性能差异,并采用数值计算揭示喷嘴流动损失及预旋系统温降机理。结果表明,叶孔式预旋喷嘴与叶片式预旋喷嘴流量系数均随压比的增大而增大;随雷诺数的增大先逐渐增大,当Re2×105,流量系数基本不变。系统温降效率随着压比的增大逐渐增大;压比1.5时,温降随转速增大先增大后减小,存在一个极值。叶孔式预旋喷嘴流量系数与叶片式喷嘴流量系数相差不大,约为0.95;但叶孔式喷嘴可以减小端壁二次流损失和尾迹损失,降低喷嘴出口落后角,提高喷嘴出口旋转比和系统温降效率。压比1.5,转速8.1kr/min时,叶孔式预旋喷嘴系统温降效率比叶片式喷嘴的提高了40%。     

无量纲叶高对叶型喷嘴流动特性的影响

预旋喷嘴作为预旋系统中的重要元件,其性能优劣直接关系到预旋系统的温降效果。在保持喷嘴几何出气面积不变的条件下,对预旋角度为12°,无量纲叶高分别为0.12,0.25,0.5,1和2的叶型喷嘴在压比1.1~1.9范围内进行了数值模拟。计算域包含进气腔、预旋喷嘴和出气腔,研究内容包括速度场、出气速度、出气角度、流量系数和预旋效率。对比了直孔型喷嘴、扩口孔型喷嘴以及叶型喷嘴的性能差异。结果表明叶型喷嘴的流量系数和预旋效率比直孔型喷嘴均增大20%以上,预旋效率比扩口孔型喷嘴略微增大5%左右。叶型喷嘴的流量系数和预旋效率均随压比的增大而增大,随无量纲叶高的增大先增大后微弱减小;叶型喷嘴的无量纲叶高低于0.5时,流量系数和预旋效率将显著减小。     

预旋进气小尺寸涡轮叶片冷却的流场研究

为了了解和掌握一种具有直通式冷气预旋进气系统的小型燃气轮机涡轮转子叶片的流场,在旋转雷诺数Reθ=4.66×106和冷却空气的无量纲质量流量Cw=1750时改变预旋角θ的大小,使其在15°～90°变化,通过数值研究得到了预旋角对涡轮盘腔、连管和涡轮叶片内冷却空气的流动以及叶栅通道中燃气的流动的影响。结果表明:(1)预旋角的变化会改变涡轮盘腔、连管和涡轮叶片冷气进口附近局部区域的流场,但是对涡轮叶片内其它区域和叶栅通道中的流动基本没有影响。(2)随着预旋角的增大,涡轮盘腔内预旋进气冷气射流的轴向穿透深度先增大后减小;当θ<45°时冷却空气沿外围屏流向转盘接收孔,而当θ>45°时冷却空气沿内围屏流向转盘接收孔;气流的周向速度随着预旋角的增大而减小。(3)垂直进气时连管内存在多个回流区和很大的涡流,流动损失较大,而采用预旋进气能够减弱或消除这些流动结构,存在最优预旋角θopt,θopt≈45°,此时连管的有效流通面积最大。     

叶型孔式预旋喷嘴流动特性数值研究

现有研究表明叶片式喷嘴是目前为止性能最好的预旋喷嘴。而在整环的喷嘴盘设计中,当喷嘴总面积、预旋角度、喷嘴数目和半径位置确定后,喷嘴叶高和栅距就固定下来,往往因为叶高与栅距的比值过小而大大降低喷嘴性能。在叶片式喷嘴基础上提出了一种能够调整喷嘴叶高到恰当值的新型预旋喷嘴——叶型孔式喷嘴(vane shaped hole nozzle,vsh nozzle)。采用数值方法深入对比研究了叶型孔式喷嘴与叶片式喷嘴的性能差异。为了考虑喷嘴下游预旋腔的掺混影响,计算域不仅包括静止的进气腔和喷嘴,还包括转动的预旋腔和接受孔。计算结果表明,叶型孔式预旋喷嘴的流量系数和预旋效率显著高于叶片式喷嘴,vsh-52喷嘴的流量系数比vane-52喷嘴高9.14%,预旋效率高4.44%。还提出采用有效流量系数、有效预旋效率两个参数来体现考虑喷嘴下游预旋腔掺混影响的喷嘴综合性能。     

接受孔形状对预旋供气系统内气流流动影响研究

为对比不同形状接受孔的预旋系统内气流流动特性,通过数值模拟方法,对带有不同形状接受孔的预旋系统进行了研究。研究发现:收缩型接受孔入口截面气流流通面积较大,相对速度较小,在预旋系统中的性能最优,其次是类梯型,最后是直孔型。同一旋转雷诺数下,带收缩型接受孔的预旋系统无量纲温降较直孔型提高5.8%,总压损失系数降低3.0%。三种类型接受孔的预旋系统无量纲温降和总压损失系数均随进出口压比的增加而增大,在相同压比下,收缩型接受孔预旋系统无量纲温降最大,总压损失系数最小。     

扩口孔型预旋喷嘴流动与温降特性

分别对预旋角度为20°的直孔和扩口孔型喷嘴进行了数值模拟和实验测量.计算模型包括仅有进气腔、预旋孔和出气腔的单独模型和在此基础上增加了旋转部分的系统模型;研究内容包括速度场、出气速度、出气角度、流量系数、预旋效率和温降,并对单独模型的孔流量系数进行了实验测量.结果表明流量系数的计算结果与实验结果符合良好,扩口孔的流量系数、预旋效率和温降都比直孔显著增大20％以上.数据还显示由单独模型计算得到的流量系数和预旋效率与由系统模型得到的结果比较接近,根据单独模型的预旋效率而推算出的温降可在一定程度上间接反映预旋系统的温降特性.     

直接供气预旋转静系流动特性的实验

用实验方法研究直接供气转静系预旋腔内的流动特性,得到了静盘表面的静压分布、预旋孔的排气系数以及盘缘出口流量的分配规律.结果表明:流量改变对静盘压力分布形状的影响较大,而转速改变的影响则较小;在几何条件不变以及预旋进气和中心进气流量相等的前提下,预旋孔排气系数主要由预旋进口流量系数决定;对于该实验模型和研究工况来说,盘缘出口流量系数比在0.7以上.      

预旋喷嘴径向角度对预旋特性影响的数值研究

为了降低低位进气预旋流路的气动损失，针对带有不同径向角度（0°~30°）预旋喷嘴的预旋系统进行了数值仿真，并对流动特性、温降特性和比熵增特性进行了分析。结果表明:随着预旋喷嘴径向角度的增大，预旋系统无量纲温降先增大后减小，流动阻力减小，预旋系统的流量随之增大。旋转雷诺数为2.3×107时，预旋喷嘴带径向角度的预旋系统无量纲温降比传统喷嘴最大可提高18.3%，存在某一角度使预旋温降特性达到最好。预旋系统内的耗散主要发生在预旋腔和共转盘腔内，径向角度为10°时其比熵增变化量分别占整个预旋系统总体比熵增的42.4%和30.2%；合理设计预旋喷嘴的径向角度，能改善预旋腔内气流的流动效果，并且可以减少整个预旋系统的不可逆损失。      

封严流对预旋供气系统温降特性影响的数值研究

为获得封严流对预旋供气系统温降特性的影响,基于三维稳态数值模拟方法,针对内封严出气流量,内封严进气流量,内封严进气温度和内封严进气旋转比四个因素进行了研究。结果表明：在保持供气流量和供气压力一定的条件下,封严流流出预旋腔对预旋供气系统温降特性影响微小;而封严流流入预旋腔的影响显著。内封严进气流量从0增大到喷嘴流量的20%时,温降效率降低31.3%;内封严进气温度升高37K时,温降效率降低29.2%;内封严进气旋转比从0提高到0.8时,温降效率提高15.6%。     

带盖板预旋系统的流动实验

通过低转速的模拟实验对涡轮盘腔的带盖板预旋系统的流动特性进行了研究。在不同的紊流参数（0.5〈λT〈0.96）和旋转比（1.03〈βp〈1.9）下测量了预旋腔和盖板腔内的压力与速度分布,得到了两个腔内的旋转比变化情况,并分析了旋转雷诺数和进出口压比对预旋喷嘴流量系数的影响。实验结果表明：在两个腔内离心升压效应明显,预旋喷嘴出口气流对预旋腔内的气流压力和速度的影响要远大于接收孔出口气流对盖板腔的影响,压比和旋转雷诺数对喷嘴流量系数有较小的影响。     

部分喷嘴关闭对预旋供气系统供气参数影响的实验研究

为了研究部分喷嘴流路关闭对预旋供气系统供气流量和供气温度等特性参数的影响,在部分喷嘴流路打开和关闭工况下进行了实验研究。研究结果表明：随着喷嘴压比增加,以几何流通面积定义的喷嘴流量系数先增大后基本保持不变,转动对喷嘴流量系数的影响在1.6%以内,可以忽略;在系统压比为1.30时,由于阀门关闭不严和关闭后预旋腔腔压的变化,供气流量降幅是喷嘴几何流通面积降幅的67.8%~81.8%,实验状态下阀门关闭会导致供气温度降低约1.2K~2.4K。     

旋流对轴对称喷管性能影响的数值研究

为了研究旋流进气对喷管性能参数的影响,使用数值模拟的方法对轴对称喷管直流进气与旋流进气两种工作状态进行了对比研究,分析了不同空气流量、不同旋流强度下的喷管流量系数、真空推力系数以及比冲的变化规律.研究发现,使用喷管入口轴向质量平均总压计算所得喷管性能参数不随旋流强度的变化而变化,且与直流状态近似相等;旋流的切向动压随旋流数的增大而增大,但对喷管推力没有贡献,应将其归入总压损失.      

叶片式预旋喷嘴出口流场实验研究

叶片式预旋喷嘴具有尺寸小,落后角大的特点。为了详细研究小尺寸预旋喷嘴的预旋性能,采用五孔探针对叶片式预旋喷嘴的出口流场进行了实验研究。测量了Ma=0.2,0.3时喷嘴出口的压力分布、速度分布和出口气流角度分布,实验获得了喷嘴的落后角和预旋效率,并进行了与实验工况相同的数值计算。通过实验获得的总压云图以及速度云图,可以发现叶片式预旋喷嘴的端壁二次流损失、尾迹损失严重,有明显的边界层分离现象。Ma=0.2时,喷嘴Re数为5.76×104,落后角2.84°,实验测得的预旋效率为0.73;Ma=0.3时,喷嘴Re数为1.06×105,预旋效率提高至0.77。实验模型端壁的影响使预旋效率实验结果偏低6.5%左右。数值结果与实验测得各参数符合较好:数值结果与测得的喷嘴出口截面平均总压、静压偏差在1%以内;出气速度、周向速度以及出气角度与实验结果偏差在4%以内。数值计算表明,叶片式预旋喷嘴的预旋效率基本不受压比影响,随Re数增大先增大后基本不变,最后基本稳定在0.85。