叶顶间隙偏差对叶片气动性能影响的不确定性研究

在压气机叶片加工过程中，实际加工得到的叶片外形与设计叶型不可避免会存在一些偏差。为研究叶片叶顶间隙尺寸波动对性能的影响，以Rotor37为研究对象，采用三维定常数值模拟方法，基于非嵌入式混沌多项式中二维正态分布变量产生方法，分别对叶片前缘叶顶间隙和尾缘叶顶间隙进行尺寸波动干扰，研究了叶顶间隙不确定性对气动性能和流场的不确定性影响，评估了公差带内叶顶间隙偏差与气动性能变化的相关性，并探究了叶顶间隙变化对叶片稳定裕度的影响机理。研究发现，叶顶间隙偏差对等背压条件下叶片质量流量、等熵效率和总压比的平均水平几乎不会造成影响；叶顶间隙偏差所造成的气动性能分布标准差随工况点向不稳定边界的逼近而逐渐增大。同时，叶顶间隙不确定性会导致样本稳定裕度均值有所降低，不确定性分析中稳定裕度均值相对原型叶片下降了2.42%。流场结构方面，叶顶间隙偏差主要影响80%叶高以上部分流场；叶顶间隙偏差对叶顶区域泄漏流产生的影响，导致了叶片稳定裕度的变化。     

叶顶间隙和叶片表面粗糙度对离心压气机性能的影响

为充分研究叶顶间隙和叶片表面粗糙度对某型离心压气机工作性能的影响,文章分别对不同间隙和粗糙度情况下压气机的工况仿真计算,得到不同的特性线。分析表明:叶顶间隙和粗糙度越大,增压比和效率越低,粗糙度由 0.03mm减小到 0.01mm,增压比大约提高了 1.5%,工作效率大约提高了 1%,叶顶间隙由 0.6mm减小到 0.1mm,增压比大约提高了 10%,工作效率提高了 2.5%。该研究结果对下一步的改进设计具有重要的参考价值。     

叶顶间隙对离心叶轮内部流动及气动性能的影响

通过求解 N- S方程 ,数值研究了叶顶间隙对 NASA低速大尺度离心压缩机 (L SCC)三维粘性流场及气动性能的影响 ,在计算程序中采用了当地时间步长、多重网格以及隐式参差光顺来进行加速。对具有 0 .0 % ,5 0 % ,10 0 % ,2 0 0 %倍设计间隙的 4种离心叶轮的流场及气动性能进行了数值预测。研究结果表明 (1) NASA低速大尺度离心压缩机 (L SCC)半开式叶轮的低速尾迹区在压力面与轮盖的角区 ,而相应的闭式叶轮的低速尾迹区聚集在轮盖的中心位置 ;(2 )数值实验表明 ,叶顶间隙并非越小越好 ,可能存在一个最优间隙 ,使得叶轮流动损失最小     

涡轮叶片叶顶间隙变化减敏研究

采用数值方法联合标准k-ω两方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,研究了平顶和分别采用被动、主动以及复合间隙控制方法的凹槽顶、平顶喷气、凹槽顶喷气4种不同叶顶结构下涡轮性能对叶顶间隙变化的敏感性,分析了间隙变化对间隙流场结构及损失的影响,研究了涡轮性能随叶顶间隙变化的规律,并对采用不同间隙控制方法的叶顶结构所带来的效率收益对攻角变化敏感性进行了评估.结果表明:在不同间隙控制方法下叶顶泄漏涡强度随间隙的增加速度变缓,尤其在复合间隙控制方法下更为明显,从而使得在复合间隙控制方法下涡轮性能对间隙变化的敏感度最低;仅仅涡轮叶片前缘区域泄漏流动对攻角变化比较敏感,使得凹槽顶结构具有最佳的攻角变化适应性.      

叶顶间隙对非定常激振力及下游静子振动影响

压气机叶片叶顶间隙会产生泄漏流,对非定常流动及下游静子会产生一定影响。为研究不同叶顶间隙下非定常气流激振力以及静子叶片振动响应,对不同叶顶间隙下单级压气机的非定常流动进行计算。随后分析非定常结果的流动特性。再利用快速傅里叶变换对静子表面的非定常激振力进行频谱分析,并将按不同频率分阶的载荷加载到静叶上以求解振动响应。非定常结果表明随叶顶间隙增大,效率和压比与之呈线性递减关系,叶片表面时间平均的压力也随之降低。而激振力的频域结果表明,激振力主要频率与叶片通过频率接近,且一阶激振力效应最大。振动响应结果显示随叶顶间隙增加,振动幅值有所降低,但在20%~40%叶高处有非线性现象,位移波谷有轻微下降。且前三阶响应结果接近静叶第3阶,第8阶和第17阶模态振型,频率相差为10%左右。     

离心叶轮叶顶间隙泄漏流影响因素的量化分析研究

为了定量研究离心叶轮叶顶泄漏流的影响因素,在经典闭式Eckardt叶轮基础上等值切削得到了11个相对间隙值在0~10%区间的半开式叶轮。采用数值计算分析和量化分析相结合的方法研究了叶轮设计工况下的顶隙流场,量化得到与间隙泄漏有关的叶顶载荷、刮削压头和泄漏强度沿流向的分布值。在完成"刮削率"R的计算讨论后,对量化的结果进行了偏最小二乘法(PLS)分析,建立了泄漏强度与泄漏流主要影响因素的定量关系式。研究结果表明,R值沿叶片流向从2.3下降到0.25左右,说明轮盖刮削对间隙泄漏流的作用沿流向增强;叶顶载荷的变量投影重要性值([1,2])略大于刮削压头的变量投影重要性值([0.7,1]),且叶顶载荷的回归系数值([0.6,0.8])略大于刮削压头的回归系数值([0.4,0.6]),说明叶顶载荷对间隙泄漏流的促进作用大于刮削压头,但刮削压头对间隙泄漏流的影响不可忽略。     

亚声速半开式离心叶轮叶顶间隙的流动特征

针对半开式离心叶轮的间隙泄漏和间隙气流对气动性能的影响,采用数值方法分析了3种叶顶间隙值下叶轮的气动性能、设计工况下的叶片载荷分布、间隙流动气流角以及泄漏涡的分布特征.结果表明:叶轮叶片表面的压力分布规律不受叶顶间隙的影响,但叶片载荷在叶片的中后部有不同程度的减小;间隙处的内泄漏流动本身引起的流动损失较小;与零间隙相比,间隙处的内泄漏气流对流道前半段主流的影响甚微,但在流道中部以后,间隙流扰乱了主气流方向,并在叶顶吸力面附近形成涡流聚集区,造成明显的熵增,带来不可忽视的能量损失.希望所得结果能为建立半开式离心叶轮的间隙气动模型提供参考.      

离心压气机叶顶泄漏涡轨迹数值模拟及失速预测

以级压比为4.1的Krain叶轮为研究对象,数值研究流量、转速和叶顶间隙对叶顶泄漏涡(TLV)轨迹和主流/叶顶泄漏流交界面(ITLMF)位置的影响。数值结果表明:流量减小、转速升高和叶顶间隙减小,使叶顶泄漏涡轨迹远离吸力面、主流/叶顶泄漏流交界面向上游移动。将主流与叶顶泄漏流的相互作用简化为一股自由来流与一股逆向壁面射流的相互作用,并对叶顶泄漏流速度进行模化。利用主流/叶顶泄漏流动量平衡原则确定交界面位置,采用Zhao模型预测叶顶泄漏涡轨迹,并建立叶顶泄漏流的有效起始位置与叶顶间隙的关系,从而建立亚声速离心压气机失速预测模型。结果表明,模型预测值与CFD预测值符合较好,方均根误差低于2.42%。      

叶顶压力侧小翼对跨声速涡轮级气动性能影响的数值研究

为了研究涡轮叶顶间隙泄漏流动有效控制的方式,本文将肋条小翼结构这种被动流动控制技术应用于涡轮级动叶叶顶中,以控制跨声速涡轮级叶顶间隙泄漏流动并改善其气动性能。通过数值模拟方法,分析了采用平顶方案、肋条方案和小翼肋条方案的涡轮级气动性能和叶顶间隙流动特性,研究了变间隙条件下小翼肋条方案对间隙泄漏流的控制效果,深入探讨小翼最大偏置距离和外倾角对小翼控制效果的影响。结果表明：所采用的肋条小翼结构能够有效地控制叶顶间隙泄漏流动并提高涡轮级的效率;在间隙高度为1mm时,涡轮级效率的提升达到0.51%,叶顶间隙泄漏流率下降48.6%;此外,随着小翼外倾角的增加,涡轮级效率逐渐增加并存在一个最佳的向外偏置距离为1.2mm。     

涡轮叶顶间隙自适应控制的研究

为了达到减小涡轮叶片叶顶间隙泄露的目的,应用数值模拟并辅之试验的方法对叶顶间隙泄漏流动形成机理、涡轮自适应叶顶喷气控制机理及其对间隙流动的控制作用进行了研究。在此基础上,着重研究了进口位置、出口位置、喷气孔直径等自适应叶顶喷气孔参数以及叶顶间隙大小,对叶顶喷气效果的影响规律。结果表明:自适应叶顶喷气孔进口位置对叶顶喷气性能影响不大;出口位置在叶顶中部,靠近压力面时,叶顶喷气效果最佳;喷气孔直径为2mm(d/H=4.8%相对叶高)时效果较好;叶顶间隙越大,叶顶喷气效果越差,当间隙取到2mm(t/H=4.8%相对叶高)时,叶顶喷气已经失去控制间隙泄漏的作用了。     

传热对微型离心叶轮间隙泄漏流动影响的数值研究

针对某微型燃气轮机的微型离心叶轮,采用三维数值模拟方法,将绝热壁面情况和考虑传热影响情况下的叶轮性能和内部流场进行对比研究,重点分析壁面传热情况对微型离心叶轮间隙泄漏流动的影响.研究发现:传热对叶轮性能的影响主要集中在其对间隙泄漏流的作用上.绝热条件下间隙泄漏流轨迹沿叶片吸力面向下游发展,传热则使得间隙泄漏流动迹向相邻叶片压力面偏转,增强间隙泄漏流与主流的掺混导致间隙泄漏流损失增大.与绝热情况相比,传热虽然在一定程度上减弱了叶片通道内的压力梯度,但由于热量的传入会导致间隙泄漏流初始堵塞增大,最终仍会在叶片通道内造成更大的间隙泄漏流堵塞.     

叶尖间隙测量技术在离心压气机试验件上的应用

主要介绍了电容式叶尖间隙测量系统的各组成部分，间隙测量设备在离心压气机试验件上的安装方式和标定方法。通过对离心压气机试验件的叶尖间隙进行实时监测, 获得了离心叶轮进口、中间和出口截面叶尖间隙随转速增加而减小的关系，保证了试验的安全性和试验件的完整性。分析叶尖间隙和转速关系可以为后续减小叶尖的冷态间隙和优化离心叶轮叶尖流道和叶轮外罩流道提供试验数据支持，叶尖间隙测量技术在离心压气机试验件上的应用为确定最佳的叶轮间隙及以后的型号研制提供了重要的数据支持。      

叶尖间隙对跨声速压气机叶片气动阻尼的影响

为了分析叶尖间隙对压气机气动阻尼的影响,基于相位延迟边界条件,建立了跨声速转子的气动阻尼计算模型,研究叶尖间隙对其流场及气动阻尼的影响。计算该转子在设计间隙条件下的气动性能、叶片模态以及颤振边界,和实验数据吻合较好,比较不同叶尖间隙(1.6%,3.2%,5.0%叶尖弦长)的转子气动性能,发现间隙增加使转子效率和压比均有显著的下降;对叶片表面非定常压力研究表明,叶片非定常压力对叶片振动的响应具有强三维特性,同时叶片间相位角(IBPA)和叶尖间隙流对其有显著的影响,由于叶尖间隙增加使叶尖流动的影响加强,导致叶尖区域由于振动造成的一阶谐波压力幅值相对减小,大间隙趋于恶化压力面的稳定性而对吸力面的影响在不同的叶片间相位角时不同;对于气动阻尼,在不同的叶片间相位角区域,叶尖间隙对其影响有显著的差异,甚至会产生截然相反的规律,特别是在设计状态,对于该转子,大间隙提高了叶片最不稳定状态的气动阻尼。     

轴流压气机机匣变形对多排转子流场特性的影响

在实际轴流压气机加工、装配、使用过程中,机匣的圆度控制、叶片的高度控制、转子和机匣之间的同轴度控制等都普遍存在误差,意味着叶尖间隙的不均匀性必然地存在于每台压气机中。随着对轴流压气机流动研究的不断深入,叶尖周向非均匀间隙成为了需要考虑的问题。针对由机匣变形造成的非均匀叶尖间隙,研究了其对多排转子流场特性的影响。首先介绍了表征机匣变形程度的新参数,进而引进了非轴对称压气机模型的建模方法。针对3种不同的间隙周向布局,采用定常和非定常方法进行了数值模拟,对比了均匀与非均匀间隙下多排转子的气动性能,分析了机匣变形对气动损失分布和传播的影响,并研究了非均匀间隙下非定常压力和气动力的脉动特征。结果表明：非均匀间隙会降低转子性能,转子叶排叶尖区域的流场在非均匀间隙下呈现明显的周向非对称性,在上游叶排“尾迹”的干扰下,后排转子叶尖流场的周向非对称性要大于前排转子。非均匀间隙布局与各叶片气动力分布呈现明显的对应关系,小间隙区域叶片的气动力高,大间隙区域叶片气动力相对较低,从而增加了非均匀间隙下转子叶片的气动力幅值。     

压气机线性振荡叶栅气弹试验研究（二）：叶尖间隙的影响

 为了加强对叶轮机三维气动弹性机理的理解,为数值模拟方法提供试验验证数据,开展了压气机线性叶栅气动弹性试验研究。本研究分为2个部分,第1部分研究压气机线性振荡叶栅的气弹稳定性,本文为第2部分,重点辨别叶尖间隙对压气机叶片气弹稳定性的影响。试验结果表明随着叶尖间隙的增加,间隙流对振动叶片有失稳影响,其影响范围几乎遍及整个叶高,这与非定常气动的瞬时径向相互作用的结论是一致的。这种失稳效应与叶片间相位角对叶栅气弹稳定性的影响不耦合。间隙流在叶栅稳定性最差时影响最显著。详细的非定常压力试验结果表明,随着叶尖间隙的增加,叶片表面非定常压力幅值减小区域与间隙流造成的卸载区域相对应。由试验结果可以推断,不考虑叶尖间隙的数值模型可能会给出过稳定的叶片颤振预测。     

间隙高度对自发射流抑制叶尖泄漏的影响

通过数值求解三维定常黏性雷诺时均N-S方程,获得了单孔叶尖自发射流条件下不同叶顶间隙的叶栅流场,对比分析了间隙高度对自发射流与叶尖泄漏流相互作用特性、叶尖泄漏流量以及叶片载荷的影响.结果表明:当叶顶间隙高度为1mm(t/H=0.5%)时,自发射流对泄漏流有明显的阻挡作用,泄漏流量比减少0.06%,同时叶片载荷增加1.39%.当叶顶间隙高度增大到4mm(t/H=2%)时,自发射流的阻挡作用及对叶片载荷的增加作用基本消失;减小间隙高度可以有效提高自发射流的控制效果,同时降低因分离造成的流动损失;自发射流的存在显著改变了间隙流场分布及叶尖吸力面附近静压系数分布,计算发现当泄漏流绕自发射流流过时,下游流场出现类似卡门涡街的涡分布现象.      

离心叶轮和扩压器相互作用

采用定常和非定常数值模拟技术,研究了某跨声离心压气机级内的复杂流动,分析了叶轮与径向扩压器之间的非定常相互作用.结果表明,扩压器的势干扰使叶轮出口静压发生周期性地变化,引起叶轮后部负荷、叶尖泄漏和损失等也产生周期性地变化,影响范围达30%流向弦长.叶轮出口流场的周向不均匀性及非定常性使扩压器进口参数发生周期性的变化,导致扩压器负荷、总压恢复系数分布呈现出较强的非定常性,影响范围贯穿整个扩压器通道.      

基于POD方法的跨声速轴流压气机转子叶顶间隙流场分析

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 36为对象,研究了叶顶间隙流场的非定常流动特性。在数值模拟结果的基础上,采用本征正交分解(POD)方法获取POD模态和时间系数分布规律,进一步分析了近失速工况下叶顶间隙流场的流动特性。结果表明:在近失速工况下,叶顶间隙流场的主导频率为叶顶泄漏涡频率,约为0.6倍转子通过频率;能量较高的POD模态决定了叶顶泄漏涡的波动频率和幅值,低能量的高阶涡则影响流场的细微结构;同时发现,前5阶POD模态就可以很好地重构流场,这为低阶模型的应用提供了一定的理论指导。      

液环泵叶轮叶片轴向叶顶间隙微射流流动机理及性能分析

液环泵的轴向间隙泄漏流对其水力性能有重要的影响,为了抑制其叶片轴向叶顶间隙泄漏流动,提升水力性能,以2BEA-203型液环泵为研究对象,在叶片轴端间隙引入微射流,采用数值模拟方法对比分析微射流对间隙泄漏流场及液环泵性能的影响机理。分析结果表明:轴向间隙射流能够有效地抑制间隙泄漏,液环泵的效率及真空度均在一定范围内提升。叶片轴向间隙内射流孔出口处会形成一相对高压区,微射流排挤占用一部分间隙的流道,部分射流与压力面泄漏流相互作用形成间隙涡,阻滞泄漏流动,使得叶片间隙泄漏流强度降低,叶片背面后方的泄漏涡前移。液环泵叶轮轴向间隙泄漏流存在复杂的时空分布特征,湍动能分布由吸气区沿叶旋方向逐渐增强,受微射流抑制作用,射流型叶轮间隙吸力面侧的湍动能强度要明显弱于原型叶轮间隙;泄漏流强度沿弦线方向逐渐减弱,微射流的部分流体沿弦线方向流入叶片轴向间隙,排挤占用下游间隙的流道,提升了叶顶间隙的密封性能。      

具有分流叶片跨声速离心叶轮激波及能量损失分析

对具有分流叶片跨声速离心叶轮,采用激波基本关系式对数值信息进行分析和判定,理论证实了叶轮流道中激波的存在,并确定流道内高速气流易在主叶片前缘、分流叶片前缘以及主叶片的吸力面与分流叶片的压力面通道位置形成激波.进一步对比分析了叶顶间隙和运行工况对激波位置分布特征的影响及引起的能量损失.结果表明:固定叶顶间隙下,随着流量减小,激波位置向流道上游移动;叶顶间隙导致激波线位置向流道下游偏移;分流叶片前缘处有最强激波并引起较明显能量损失.