涡轮盘腔轴向封严流动的数值研究

利用数值方法研究了轴向封严结构内的燃气入侵与封严流动.研究表明:由于封严间隙处流场参数梯度较大,封严面非匹配网格影响了数值传递从而造成封严效率数值结果偏高.定常数值模拟结果低估了导叶下游静压的周向不均匀性,同时没有考虑转静干涉,所得到的封严效率较非定常结果要高.非定常计算得到的导叶下游静压周向分布与试验结果符合较好,在盘腔子午面内形成3个涡核结构,引导静盘壁面流体流向动盘以补充动盘泵效应所需流量.封严间隙内存在旋转的燃气入侵与出流结构,燃气入侵伴随较大的切向速度,封严间隙内的封严间隙涡对封严效率有积极影响,封严面上径向速度的瞬时值为时均值的3倍以上.燃气入侵受到导叶尾缘周向静压分布和转子旋转的共同影响.      

轮缘封严气流与转子干涉损失机理的数值研究

为了研究涡轮转静盘腔中轮缘封严气流与下游转子的干涉机理和损失机制,在不同封严流量下,针对轮缘封严气流对下游转子气动性能和流场分布的影响进行了数值模拟。结果表明,随着封严流量增加,涡轮级效率不断降低。在轮毂到10%叶高和30%～60%叶高,流量系数增加。封严气流主要通过在转子进口封严出流不同的分布和在通道输运过程中与转子通道二次流的交互作用对转子的气动性能产生影响。同时,封严气流引起下游转子气动性能的降低,存在三个损失机制:一是封严腔体摩擦泵效应减弱,增加了封严出流与主流之间周向速度差所引起的粘性剪切损失;二是不同分布的封严出流造成进气负攻角和堵塞效应,降低了转子的做功能力;三是不同分布的封严出流在输运过程中与转子通道二次流的交互作用,导致了二次流损失加剧。     

轮缘封严气体对涡轮转子性能影响的非定常数值研究(英文)

为了研究涡轮转静盘腔的轮缘封严气体对涡轮转子性能的影响,对其进行了详细的三维非定常数值模拟。通过与无盘腔模型比较,非定常结果显示交替进行的主流燃气入侵和封严气体出流改变了转子叶片进口的气流角度,拉伸了端壁附近的马蹄涡,因此引起涡轮出口流动条件的较大变化。存在涡轮转静盘腔但没有冷气时,主流导叶尾迹的部分流体入侵盘腔,对涡轮转子性能有正面的影响。封严气体与上游导叶尾迹的相互作用引起转子通道内熵增,当冷气量占主流流量的1.37%时,涡轮效率降低2.1%。证实了轮缘封严气体对涡轮转子性能有很大的影响,在涡轮设计中必须给予考虑。     

旋转诱导燃气入侵的数值模拟

在航空发动机涡轮级中,动盘的旋转会导致主流高温燃气从盘缘封严侵入转静盘腔系统.通过计算流体动力学方法对轴向封严结构下旋转诱导燃气入侵进行了研究,得到了在不同封严冷气流量下盘腔压力和封严间隙处径向速度的变化规律.分别计算基于质量和基于浓度定义的封严效率分布,并得到了相应最小封严流量.在不同旋转雷诺数下,用压力参数法估算了最小封严流量,所得结果与公开发表的经验关系式计算得出的一致.      

涡轮盘腔燃气入侵及间隙剪切涡特性分析

为揭示转-静相互作用下的非定常燃气入侵机理及轮缘大尺度涡结构的产生机制，对带有轴向封严结构的1.5级高压涡轮装置进行三维非定常数值模拟，结合实验结果和盘腔内的经典流动理论对数值方法进行了验证。研究结果表明：转子前缘压力势场是造成旋转燃气入侵的主导因素。轮缘间隙内的间隙剪切涡是构成轮缘三维非定常流动的主要原因，其强度受到入侵燃气和出流冷气的径向速度、切向速度梯度以及上游边界层共同影响；间隙剪切涡周向方向的旋转有利于加快入侵燃气从动盘侧迁移至静盘侧，缩小动、静盘封严效率差异，当封严流量从0.5%降低到0.25%时，盘腔出口动静盘侧封严效率差值增大175%；间隙剪切涡与旋转泵效应的相互作用对于主流高温燃气在径向方向入侵盘腔具有抑制作用；由燃气入侵机制和间隙涡特性可以得出：文中盘腔出口设置在更靠近转子前缘位置对于提升轮缘密封性能具有正向意义。     

封严腔体出口流场的非定常数值研究

为了研究涡轮转静盘腔中轮缘封严气流的非定常特性对主流的影响机制,在不同封严流量下对封严腔体出口的流场进行了三维非定常数值模拟,细致分析了封严腔体出口流场的非定常特性。结果表明封严腔体出口附近流场呈现出强烈的三维非定常性。随着封严流量的增加,燃气入侵作用和转动壁面摩擦的泵吸效应不断减弱。在腔体内部从转动壁面到静止壁面燃气入侵的区域和强度都有所降低。腔体出口燃气入侵和封严出流的周向分布是由静子作用主导,转子转动造成燃气入侵和封严出流的位置发生周期性变化。同时,随着封严气流出现,封严腔体出口流场出现由静子作用主导到转子作用主导的转变。由于燃气入侵和封严出流造成腔体出口附近封严气流和主流之间强烈的流量交换,小封严流量下非定常波动强度较大并出现低频扰动。封严流量IR=0.0%时,低频脉动最大幅值所对应的频率为0.333倍转子通过频率,IR=0.5%时为0.467倍转子通过频率。封严流量增大后非定常波动强度逐渐降低,低频扰动逐渐减弱甚至消失。     

跨声速涡轮轮缘复合封严结构的数值研究

为了保护航空发动机涡轮盘,阻止高温燃气向盘腔内部深入,破坏核心部件,通常将压气机冷气引入转静盘腔,以抵抗高温燃气入侵,并对涡轮部件进行冷却。本文利用非稳态与稳态数值计算方法,研究了跨声速涡轮设计工况(Reφ＞107)下的两种复合封严结构：静盘存在封严环的覆叠封严和动盘带封严齿的咬合封严结构,并与轴向封严结构进行对比。在本文所研究的范围内,对非稳态计算进行快速傅里叶变换(FFT)的结果表明：跨声速涡轮流动中,叶栅通道存在由激波引起的高压区,导致了燃气的剧烈入侵,因此在特征信号频谱中f/fblade=2处存在峰值,这是跨声速涡轮燃气入侵最显著的特点。稳态计算证明复合封严结构封严性能良好。静盘封严环将盘腔分割为上下两个容腔,入侵容腔滞留了绝大部高温燃气,因此高半径处封严效率较低,但盘腔低半径处封严效率明显提高,在Cw≈996时,两种复合封严结构在r/b=0.96以下都能达到很高的封严效率。咬合封严能够增加燃气流动阻力,有效减小封严冷气使用量。但是两种封严结构在当冷气流量系数从Cw=199逐渐增大到2000时,高半径处封严效率并没有明显的提高,封严效率仅提高了20%~30%。     

体积分数法测量几种转静系中的最小封严流量

为防止涡轮盘腔转静系统高温“燃气入侵”现象发生,需要确定最小封严流量.在不同的转速和不同出气间隙下,采用体积分数法分别对6种典型封严结构进行实验研究,以确定它们在不同工况下的最小封严流量并得出其变化规律:在固定的出气间隙值下,最小封严冷气流量随转盘转速的增加而增大,且几乎呈线性变化;对于固定的转速,随着出气间隙的增加,最小封严冷气流量也随之增加.拟合出不同封严结构的级间封严准则函数关系式,并探寻出封严效果最优的封严结构.      

轮缘封严气流与主流涡系交互作用的非定常数值研究

为了研究涡轮转静盘腔中轮缘封严气流与主流的非定常涡系交互作用机制,在有无封严气流的工况下,数值模拟了封严气流对主流二次流的影响。结果表明,封严气流对上游静子的堵塞减弱了其轮毂二次流强度,并挤压静子轮毂二次流使得其径向位置降低而区域减小。静子轮毂二次流抑制了封严出流作用以及转子轮毂通道涡的径向扩张,并加剧转子轮毂二次流的总压损失。封严气流诱导形成了腔体诱导涡和剪切诱导涡,其中剪切诱导涡发展成为转子轮毂通道涡的主要组成部分。同时,封严气流通过剪切诱导涡的作用增加了转子轮毂二次流的径向位置和强度。由于转子和静子的相对运动,封严气流与主流的涡系交互作用呈现出明显的非定常变化。     

涡轮级燃气入侵的理论分析及数值模拟

为了分析航空发动机涡轮级中的燃气入侵现象,提出一种研究封严间隙处流动规律的理论方法,并采用全环模型进行了数值模拟。在该理论方法中,动盘旋转、封严冷气、外环主流对流动的影响用三个特征速度来表征;它们的相互作用用速度比来描述。数值模拟结果表明:随着速度比的变化,封严间隙处呈现燃气沿静盘入侵、燃气基本不入侵以及燃气沿动盘入侵等三种流动形式。利用速度比的影响规律,可初步判断封严间隙处的燃气入侵情况以及最小封严冷气流量。     

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。     

涡轮叶尖迷宫式密封对泄漏流场影响的数值模拟

采用基于密度修正的三维计算流体力学程序,结合雷诺应力湍流模型加壁面函数的方法,对某一轴流涡轮转子叶尖迷宫式密封对泄漏流场的影响进行了数值研究,分析了全叶冠密封和部分叶冠密封中的泄漏流场,并详细研究了迷宫密封采用的锯齿状肋条数目对密封效果的影响,最后计算了转子效率。结果表明:涡轮叶尖表面加叶冠对进行密封,可以显著提高涡轮效率,全叶冠密封下涡轮效率提高1.15301%,部分叶冠密封涡轮效率增加0.54713%;迷宫密封中锯齿状肋条数有一个最佳值,且在此锯齿状肋条数下进行迷宫密封涡轮效率相对无锯齿状肋条增加0.1%。     

高压涡轮封严冷气对主流气动性能的影响

为研究涡轮轮毂封严结构的加入对高压涡轮主流流动的影响,运用数值模拟方法,对无封严冷气喷入的原型和四种封严结构下一级涡轮动静叶的主流流动特性进行细致研究。为保证数值计算的准确性,进行了网格无关性分析和数值方法可靠性验证。研究结果表明:封严结构的加入会降低涡轮动叶效率和级功率,封严冷气射入主流后,冲击主流边界层内的流体,使得局部区域流动发生改变。主流在封严出口处发生流动分离,增大了静叶能量损失,同时影响静叶和动叶流道中通道涡的发展,造成动叶端区流动结构的变化并引起掺混损失。覆叠封严具有的弯曲的封严内部结构,对主流气动性能影响较弱。      

Flow mechanism between purge flow and mainstream in different turbine rim seal configurations

The rim seal is used to prevent mainstream ingestion to the gap between the vane of a turbine and its blade. In this article, the dolphin lip with a hook configuration and a large seal cavity with hook structures are designed based on the high-pressure turbine datum single shark lip rim seal configuration. The sealing effect and parameters of the flow field are measured by an experiment method and a numerical simulation is used to explain the mechanism. For three configurations, the effect of the leakage slot vortex on the efficiency of the seal and the influence of leakage vortex, generated by the interaction between purge flow and mainstream flow, are discussed in depth. The result shows that the reverse vortex formed by the dolphin lip rim seal with hook structure will increase the sealing efficiency. The seal configuration with a large cavity improves sealing efficiency to a greater extent than the datum structure. At different purge flow rates and with unequal seal structures, the purge flow produces three types of leakage vortices in the passage. Besides, the seal configuration with dolphin lip produces a Kelvin-Helmholtz instability at the interface of the purge and the mainstream flows at a low purge flow rate to induce new leakage vortex branches in the passage of the blade.     

轮缘封严气流与主流干涉的损失机理研究

为了研究涡轮转静盘腔中轮缘封严气流与主流干涉的损失机理,在有无封严气流工况下就轮缘封严气流与主流干涉的损失机制和分解量化方法进行了研究。结果表明,轮缘封严气流与主流干涉存在四种损失机制：粘性剪切损失、堵塞效应损失、二次流交互作用损失以及第二级静子的附加损失。设计工况下粘性剪切损失的比例为67.68%,而其他三种损失的比例相当。随着封严流量增加,封严出流的流量和径向速度不断增加而周向速度不断减小,造成四种损失都不断增加。相对于设计工况,每1%封严流量使得总损失平均增加约为104.25%。所建立的损失量化体系准确的捕捉到了转子堵塞效应损失和二次流交互作用损失不断增加的分布,证明损失量化体系是可行和有效的。     

受轮缘密封结构影响的1.5级涡轮封严流与主流的相互作用以及轮缘密封间流动干扰

为探究动叶上游不同轮缘密封结构封严出流对1.5级涡轮端区流场及轮缘密封间流动干扰的影响区别,通过Shear Stress Transport （SST）湍流模型对无密封腔室,上游密封结构分别为简单斜向、简单径向,下游密封腔室为简单轴向的1.5级涡轮进行了非定常数值模拟。结果表明：轮缘密封间干扰使带径向密封结构模型的下游轮缘腔室内封严效率偏低,并增强了固有的非定常不稳定特性。上游密封结构变化对动叶和第2级静叶流动的影响差异分别位于35%、65%叶高范围内;径向密封结构增加了上游静叶的堵塞效应、动叶入口气流的欠偏转程度、叶根吸力面负荷与14%叶高以上的轮毂通道涡强度,并在第2级静叶入口处产生更多低频压力波动,使其尾缘脱落涡尺度增大但13%叶高以上的轮毂通道涡强度较弱。与无密封腔室相比,通入封严气体总量为主流流量的0.8%时,带斜向密封结构的1.5级涡轮气动效率降低了0.94%,且带径向密封结构的1.5级涡轮气动损失额外增加了0.17%。     

Tip-leakage flow loss reduction in a two-stage turbine using axisymmetric-casing contouring

In order to reduce the losses caused by tip-leakage flow, axisymmetric contouring is applied to the casing of a two-stage unshrouded high pressure turbine（HPT） of aero-engine in this paper. This investigation focuses on the effects of contoured axisymmetric-casing on the blade tipleakage flow. While the size of tip clearance remains the same as the original design, the rotor casing and the blade tip are obtained with the same contoured arc shape. Numerical calculation results show that a promotion of 0.14% to the overall efficiency is achieved. Detailed analysis indicates that it reduces the entropy generation rate caused by the complex vortex structure in the rotor tip region, especially in the tip-leakage vortex. The low velocity region in the leading edge（LE） part of the tip gap is enlarged and the pressure side/tip junction separation bubble extends much further away from the leading edge in the clearance. So the blocking effect of pressure side/tip junction separation bubble on clearance flow prevents more flow on the tip pressure side from leaking to the suction side, which results in weaker leakage vortex and less associated losses.     

动叶顶部蜂窝面迷宫密封对涡轮级气动性能的影响

采用计算流体动力学软件数值研究了某1.5级轴流涡轮转子叶尖蜂窝面迷宫密封泄漏流动对主流流场的影响,分析了不同的顶部间隙下叶尖密封泄漏流对主流流场的影响以及泄漏流与主流的掺混对下游静叶流场的影响,并对带与不带蜂窝面的迷宫密封对涡轮级气动性能的影响进行了比较.研究结果表明:泄漏流与主流在动叶下游掺混后导致掺混区域流体速度发生偏转,以负攻角进入下游静叶,带来攻角损失.泄漏流体带有较高的径向速度,在静叶栅通道中会向中间叶展处发展,使得静叶栅上半通道的流场结构发生改变,带来额外的二次流损失.并且随着叶顶间隙的增大,损失也随之增大.蜂窝的特殊六边形结构极大地降低了密封腔中流体的周向速度,减小了泄漏流重新进入主流时与主流的速度差异,从而减小了掺混损失.并且蜂窝结构能改变迷宫腔内气体的流动形态,采用蜂窝面的迷宫密封能有效地降低泄漏.      

反叶片角向缝机匣处理影响轴流压气机性能的机理

采用试验和非定常数值模拟方法研究了反叶片角向缝机匣处理对亚声速轴流压气机性能的影响.试验与数值计算结果均指出反叶片角向缝机匣处理后,转子在降低12%左右最大等熵效率的基础上获得30.1%左右的失速裕度改进量.详细的转子叶顶流场分析表明反叶片角向缝机匣处理改善了叶顶间隙泄漏流动,消除了实体壁机匣时叶顶通道低速泄漏流形成的堵塞,因此转子稳定性得以提高.同时转子叶片与处理缝的相对位置变化会影响处理缝的扩稳能力.处理缝中回流、处理缝形成的喷射流与叶顶通道主流的相互作用都造成较大的流动损失,进而使转子等熵效率降低.反叶片角向缝机匣处理前移约55%叶顶轴向弦长的数值研究结果表明,与反叶片角向缝机匣处理比较,反叶片角向缝机匣处理前移获得的失速裕度改进量降低约10.4%,但等熵效率的恶化程度降低近64%.