大子午扩张涡轮叶片正交设计及性能分析

在大子午扩张涡轮中,流道的子午扩张会造成较强的端部二次流动,从而产生较大的端区损失。为重组大子午扩张端区流动以减小端区损失,对燃气轮机动力涡轮第一级静叶进行正交设计优化,并对重新设计的正交叶片和原型叶片进行数值模拟计算及对比分析。研究结果表明,采用正交叶片作为大子午扩张静叶的涡轮级效率有明显提高,正交涡轮使得上下端壁的流动趋于平缓,并使得上端壁的通道涡减小,上端壁的流动沿"C"型压力场向叶片的中部移动,减少了端区的流动损失。在叶中和叶根部分流动损失也得到了减小。同时径向静压梯度明显减小,改善了附面层径向的串动,第一级涡轮的效率提升了0.74%,主要提升位置在80%到90%相对叶高处,功率提高了0.69%。     

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%。     

某型压气机轴流级改型静叶设计

通过对某原型轴流级静叶的分析, 并对轴流压气机设计中采用的端部处理技术进行分析的基础上, 提出了静叶改型设计以及端部处理方案, 并进行了通流计算和造型。对改型设计中的双排静叶参数进行了优化、采用端部处理技术以及任意叶片造型, 提高了轴流级效率。      

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。      

非对称端壁造型对离心压气机性能的影响

非对称端壁造型应用在轴流压气机和涡轮中具有较好的提高效率的作用。为了探究非对称端壁造型对离心压气机性能的影响,借鉴非对称端壁造型在轴流压气机中的设计经验,借助Autoblade和CFX商用软件,设计了四种非对称端壁造型结构,并对带叶片式扩压器的离心压气机展开数值计算研究。研究发现,与原型压气机相比,采用压力面附近为凸曲率形状、吸力面附近为凹曲率形状的非对称端壁造型结构PEW1_10%(profiled end wall 1_10%)可以在保证全工况效率不降低的情况下,使离心压气机的性能曲线向小流量和大流量均有拓展,稳定工作范围扩大11.8%。通过分析流场发现,在近喘振工况,非对称端壁造型PEW1_10%使扩压器通道内流量重新分配,吸力面附近径向速度增大,低能流体减少,改善了扩压器通道的流动状况,进而推迟喘振的发生。     

高压涡轮导叶非轴对称端壁优化设计

为使高压涡轮导叶非轴对称端壁造型在减少二次流损失、提高气动性能方面更好的发挥作用,以某一级高压涡轮为研究对象,采用端壁参数化造型、三维Navier-Stokes（N-S）方程流场求解和基于人工神经网络的遗传算法相结合的优化方法对涡轮导叶进行非轴对称端壁的优化设计。优化目标为在控制涡轮导叶进口质量流量、出口马赫数及出口气流角的情况下,导叶出口总压损失系数和出口二次流动能最小化。对比分析优化前后端壁对涡轮导叶出口参数和涡轮级性能的影响。结果表明：优化后得到的非轴对称端壁有效地改善了涡轮导叶通道内的流场,抑制了通道内二次流涡系的发展,降低了导叶出口处的流动损失,涡轮导叶出口总压损失系数降低了14．85％,高压涡轮级等熵效率提高了0．456％。     

变几何低压涡轮气动性能研究

为了探索变几何涡轮气动设计方案,导向器与动叶均采用厚前缘与后加载型叶片设计以及动叶进口负攻角设计。为了提高涡轮输出功,低压涡轮采用了大流道扩张角设计。应用数值方法对此设计涡轮进行了不同导向器开度以及有无导向器端壁径向间隙的涡轮气动性能与流场结构特性研究,并对大流道扩张角的导向器端壁径向间隙变化进行了理论分析。结果表明在设计点工况下,基本涡轮效率为0.903,相对折合流量为1.006,满足设计需求;大流道扩张角下,导向器端壁径向间隙对涡轮性能影响很大;在设计工况下,随着导向器开度的逐渐关小,涡轮主要气动参数反力度降低,通流流量下降,而效率变化相对较小,有利于调节发动机工作状态。在非设计工况下,涡轮效率随膨胀比变化亦相对较小。可见此设计变几何涡轮给发动机带来较大收益。     

非轴对称端壁对轴流风机二次流动的影响

为了研究非轴对称端壁对低速风机二次流动的影响机理,本文在某单级低速轴流风机的静子轮毂采用了非轴对称端壁(CEW)造型,并利用三维数值模拟软件进行了数值分析。结果表明:100%设计转速下工作点的等熵效率和总压升系数均有所提高,且在小流量点的提升幅度大于大流量点;其中风机峰值效率点的等熵效率提升了1.27%,总压升系数提高了2.97%;非轴对称端壁通过型面变化来改变局部的压力梯度,其中近吸力面凹槽使得流向逆压梯度(APG)减弱,而近叶栅通道出口的端壁凸包可以提高其前方压力,抑制横向流动的发展,这两种型面均有利于抑制角区分离。对该非轴对称端壁凹槽结构的径向深度幅值进行了对比分析,发现其存在一个约为静子根部弦长5.73%的最佳深度。      

基于压力场分布的大子午扩张涡轮非轴对称端壁造型方法

为提高大子午扩张涡轮端区气动及传热性能,基于大子午扩张涡轮上端壁静压场分布细节,使用Bezier曲线与正弦三角函数曲线相结合的非轴对称端壁造型技术,对某1.5级大子午扩张涡轮第2级静叶上端壁进行8种非对称造型设计,并通过SST（shear stress transfer）湍流模型数值求解RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations）方程组对造型前后端壁进行了流动与传热特性的研究。结果表明：对大子午扩张涡轮上端壁进行非轴对称造型设计可有效改善其上端区叶片通道内横向压差分布情况;对其上端壁压力面进行通道内凸起造型可降低出口总压损失,当凸起幅值为S2叶高的5%时,出口总压损失最多可降低约1.1%;对其上端壁吸、压力面均进行通道内凹陷造型将减小机匣与叶片的热负荷,当凹陷幅值为S2叶高的5%时,机匣及叶片的热负荷最多可分别降低约3.1%与2.8%。     

基于参数化脊线的非轴对称端壁成型方法

为提高低展弦比涡轮叶片气动与换热性能,抑制叶栅二次损失并降低端壁换热水平,提出了一种基于参数化脊线的非轴对称端壁成型方法。非轴对称端壁参数化成型基于位于叶片压力侧的脊线及周向余弦曲线构成,预先保证了端壁压力侧较高、吸力侧较低的基本形状。以涡轮叶栅出口测量截面质量平均二次动能系数最小及端壁面积平均换热系数最小为优化目标,采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法进行气动与换热优化,得到非轴对称端壁造型。优化结果表明:与平端壁相比,非轴对称端壁涡轮叶栅出口测量截面的质量平均二次动能系数降低了27%,端壁面积平均换热系数降低了6.9%。非轴对称端壁造型通过平衡叶片间横向压力梯度,改变了马蹄涡与通道涡位置,通道涡和壁涡强度得到抑制,有效降低了涡轮叶栅二次损失及端壁换热。     

高负荷低展弦比氦涡轮端壁损失机理研究

以某多级氦涡轮第一级为研究对象,借助数值模拟技术对低展弦比涡轮动静叶端壁通道涡迁移及干涉机制进行研究,并考察了叶片弯曲对涡轮气动性能的影响。结果表明：受下端壁道涡影响,导叶出口近叶根处气流过偏转,导致转子前缘近轮毂区正攻角变大;叶片根部负荷增加,致使马蹄涡压力面分支与吸力面分支交点前移;下端壁通道涡径向迁移至近叶顶区,其与叶尖泄漏涡相互影响致使叶顶区粘性损失显著增加。弯叶片对低展弦比大折转涡轮叶片的作用效果与传统涡轮具有明显差别：叶片正弯时叶顶载荷减小,导致叶顶间隙泄漏涡与通道涡强度及损失显著减小,涡轮性能得到改善;叶片反弯时叶顶载荷增加,致使叶尖泄漏损失增大,且强径向压力梯度作用下下端壁低能流体向叶顶汇聚,损失显著增加。     

Topological Studies of Three-dimensional Flows in a High Pressure Compressor Stator Blade Row without and with Boundary Layer Aspiration

This paper presents a numerical study of the flow topologies of three-dimensional (3D) flows in a high pressure compressor stator blade row without and with boundary layer aspiration on the hub wall. The stator blade is representative of the first stage operating under transonic inlet conditions and the blade design encourages development of highly complex 3D flows. The blade has a small tip clearance. The computational fluid dynamics (CFD) studies show progressive increase of hub corner stall with the increase in incidence. Aspiration is implemented on the hub wall via a slot in the corner between the hub wall and the suction surface. The CFD studies show aspiration to be sensitive to the suction flow rate; lower rate leads to very complex flow structures and increased level of losses whereas higher rate renders aspiration effective for control of hub corner separation. The flow topologies are studied by trace of skin friction lines on the walls. The nature of flow can be explained by the topological rules of closed separation. Furthermore, a deeper analysis is done for a particular case with advanced criterion to test the non-degeneracy of critical points in the flow field.     

轴向间距对压气机通道堵塞及总性能的影响

为了研究转静子叶片排之间的轴向间距对压气机内部流动堵塞及气动性能的影响,选取某单级轴流压气机为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其5种不同轴向间距下的内部流场进行了全三维数值模拟。结果表明:在每一种轴向间距下,当压气机节流至某一工况之后,压气机通道内的流动堵塞区主要集中在转子叶顶间隙区域和动叶吸力面尾缘附近以及静叶吸力面轮毂角区内;在同一流量下,随着轴向间距的减小,转子叶根吸力面尾缘处的流动堵塞区有所扩大,但转子叶顶间隙区域及静叶吸力面轮毂角区内的流动堵塞区体积却不断减小,压气机通道内回流区的总体积也随之减小,其结果是压气机的静压升能力和流动稳定性增强且效率增大。通过进一步研究发现:在同一流量下,当轴向间距减小时,转子叶顶间隙区域内的主流轴向动量增大且泄漏流的轴向动量减小,其结果是转子叶顶间隙区域内流动堵塞区的体积减小。     

大小叶片轴流压气机转子流动特性分析

采用全三维粘性数值模拟手段，通过与按常规设计转子对比的方法，分析研究了大小叶片轴流压气机转子流动特性，分析结果表明，大小叶片转子流场在叶根亚声速区的流通能力增强，在叶尖跨声速区可以产生更加有利的激波体系，小叶片可以有效地控制叶栅槽道中气流扩散，在较高负荷和相同喘振裕度的条件下，大小叶片转子可以比按常规设计的转子在更高的压比，效率和流量下工作。     

联合应用现代优化方法与S2流面计算进行多级涡轮的气动设计

本文联合应用S2流面正问题计算和多级局部优化设计对某三级涡轮进行多级气动优化设计。优化联合采用人工神经网络和遗传算法,流场计算采用全三维粘性流N-S方程求解,计算网格采用H-O-H型网格,即入口段、出口段采用H型网格,叶片区域采用O型网格。通过优化,总效率提高1.1%,总体性能提高,达到设计要求。     

三维设计思想在子午流道大扩张角条件下的应用

根据三维设计思想,提出了针对子午流道大扩张角条件下涡轮导向叶栅的设计思想.研究结果表明:在子午流道的设计上,采用减小内端壁扩张角及加大外端壁扩张角的方式,可有效保证内端壁附近气流的抗分离能力,并且导向叶片采用正倾斜设计,以降低通道涡的径向迁移,从而减小或消除导叶尖部气流的分离,增加尖部附近气流的抗分离能力,达到减少损失的目的.该方法现已在某航空发动机高性能低压涡轮气动设计中进行了成功的应用和验证.      

有间隙涡轮叶栅壁面流谱实验与数值模拟研究

对具有 3 .6 %相对叶顶间隙的涡轮叶栅进行了壁面流动显示和三维流场数值模拟 ,分析了大叶顶间隙涡轮叶栅的壁面流动特点 ,从数值模拟上特别对尾缘附近的壁面流动结构进行了详细讨论。实验与计算结果表明叶栅尾缘附近的流动是非常复杂的 ,同时由于叶顶间隙的存在 ,上下尾缘附近的壁面流谱明显不同     

稀薄流航天器鼻锥迎风凹腔气动力和气动热性能研究

本文采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,对高超声速稀薄流中航天器鼻锥迎风凹腔气动力与气动热性能进行了数值研究。得到了鼻锥外壁面、凹腔侧壁面以及凹腔底面的热流密度分布,分析了不同凹腔深宽比对鼻锥冷却效率以及凹腔腔体内气体参数的影响;以深宽比为1的凹腔为基准,研究了凹腔唇口钝化半径对航天器气动热与气动力的影响。数值结果表明,高超声速稀薄流中迎风凹腔能够降低鼻锥外壁面的热流密度;当凹腔深宽比达到1之后,凹腔侧壁面热流变化趋于一致,热流密度最低点的轴向位置不随深宽比改变,且凹腔底部热流很小;凹腔近底部气体均由稀薄流转化为连续流,腔内气体压力不断振荡;唇口钝化没有明显优势,虽然可以降低鼻锥峰值热流,但是会带来严重的气动力性能下降。     

轮毂修型对压气机静子角区堵塞的影响

针对压气机静子角区分离产生堵塞的现象,开展了静子轮毂修型的研究.通过对实例静子不同方案的数值模拟,验证了轮毂修型可以有效的抑制角区分离,从而降低轮毂区域的堵塞.其中,对实例静子根部分离点处进行的轴向轮毂修型,可以使静子叶栅出口的堵塞量降低20.4%,静子10%叶高处总压恢复系数从原来的0.89提高到0.948.