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。     

氦氙离心压气机叶顶间隙形态对气动性能的影响

针对氦氙混合工质离心压气机,通过数值模拟研究了叶顶径向间隙与轴向间隙高度的独立变化和不同间隙形态分布对压气机内部流场流动状态和性能产生的影响,总结氦氙混合工质离心压气机叶顶间隙不同高度和形态分布对其性能的影响规律。结果表明:叶顶间隙高度的增大会降低氦氙离心压气机的近喘振工况和设计工况效率。单独增加径向间隙(01~04 mm)使堵塞流量范围拓宽了388%,堵塞工况性能有所改善;单独增大轴向间隙对堵塞工况性能则无影响。渐缩式叶顶间隙分布使离心压气机效率较均匀分布提高023%。     

周向布局对高压比串列离心压气机性能的影响

为揭示周向布局对高压比串列离心压气机性能的影响机制,采用经试验数据确认的数值方法,对串列叶轮在典型周向布局下的性能及流场结构进行了分析。研究表明:周向布局对串列叶轮流动的影响主要体现在后排叶轮的叶顶区域,75%周向位置时压气机级性能最优,25%周向位置时最差;串列叶轮改善离心压气机流场的物理机制为诱导轮压力侧气流对导风轮吸力面附面层的吹除效应,以及导风轮吸力面侧流体对诱导轮尾迹的引射效应;高压比串列离心压气机周向布局的优化应遵循的原则是,在避免诱导轮尾迹与导风轮吸力面发生直接作用的前提下,应采用较大的周向偏置参数。     

有无叶顶间隙条件下斜流风机叶轮内部三维流动的数值研究

本文使用NUMECA 的商业软件Fine/Turbo,对一种斜流风机叶轮在有无叶顶间隙条件下的三维粘性流场进行数值研究。在与测量数据比较的基础上,对两种流场的极限流线和二次流图谱及速度分布等进行了分析。揭示了流道中低速流体的输运,“射流—尾迹”流型和叶顶间隙泄漏涡等的形成过程。研究结果表明:二次流和涡运动导致叶道出口流动尾迹发生于外端壁/压力面角域。      

低速离心压气机叶尖小翼设计与扩稳机理研究

为了揭示叶尖小翼对离心压气机气动性能的影响机理,采用数值模拟方法研究了NASA低速离心压气机(LSCC)附加不同叶尖小翼的气动特性,并在分析离心叶轮失稳机制的基础上探究了叶尖小翼的扩稳机理.研究结果表明:平顶型小翼对离心压气机性能影响较小,凹槽型小翼均使得压气机效率有所降低.凹槽型压力面小翼方案使得压气机综合稳定裕度增...     

间隙流动对低反动度跨声速转子气动性能影响

为探究叶顶泄漏流动对小展弦比高负荷跨声速转子气动性能的影响,利用数值模拟的手段,对不同尺度叶顶间隙下低反动度转子的全工况特性以及叶顶区域的流场结构进行了详细分析。研究结果表明,无叶顶间隙条件下,转子峰值效率最高,但其工作范围较窄;叶顶泄漏流动可在一定程度上抑制角区分离流动在流道内部的发展,延缓失速的触发,转子喘振裕度提升20%以上;较大尺度叶顶间隙下,波涡干涉导致叶顶泄漏涡破碎,但采用低反动度设计理念可控制破碎的泄漏涡在流道内部不发生大尺度的扩散,从而进一步地保证了转子在近失速点处仍具有较高的效率;综合考虑多方面气动性能要求,对于此类转子应存在最佳的叶顶间隙值。     

离心叶轮二元叶片型线的优化设计及分析

为改善优化离心叶轮的气动性能,提出离心叶轮二元叶片型线的一种优化设计方法,即通过给定流道平均相对速度沿半径的分布规律,在叶轮轮盘轮盖线不变的前提下,设计出一类叶片型线,并利用全三维数值模拟计算得到最佳性能的叶轮。孤立叶轮的计算表明,大部分工况的性能均明显优于原始叶轮,在设计点处效率提高12%,压升提高8.9%,流道中低速区的面积大大减小,静压场分布更加均匀。最佳叶轮配上原始蜗壳进行整机计算,结果表明,设计点效率提高10%以上,且消除了蜗壳出口段的倒流现象,但在大流量工况下压升量有所下降。     

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.      

Eckardt离心叶轮失速流场非定常特征分析

为明确离心压气机失速流场特征及类型,对Eckardt离心叶轮进行全通道非定常流场模拟,得到以下失速流场特征结果:(1)叶片前缘叶顶区域明显存在4个突尖型失速团,同时前缘涡、通道涡和低速二次涡共同作用形成流道内的非定常不稳定流动,诱发旋转失速;(2)与轴流叶轮突尖失速特征相似,离心叶轮内同样存在前缘溢流,但不存在尾缘反流,而呈现与径向和周向扭曲结构相关的新特征:叶顶间隙流与流道中的偏转二次流汇合,形成尺度更小、范围更大的低速二次涡。经进一步的空间傅里叶分析,确定失速团以60%～73%的叶轮转速沿周向传播,且由叶轮入口向下游移动,伴随发生涡脱落和破碎,使流场进入深度失速状态。通过分析这些失速流场特征,得出离心叶轮中突尖失速特征与轴流相比既有相同之处也有不同之处的结论。     

离心压气机进气流场研究及控制

对某车用增压离心压气机进行了三维数值模拟,研究了离心压气机设计点和不同转速下近喘振点进气流场,基于此提出了离心压气机进气轮盖导叶流场控制措施并进行了验证实验.研究表明:离心压气机近喘振点压力面与吸力面压力差异影响到进气流场,导致进气口轮盖附近出现与叶轮转向相反的切向速度;且从低转速到高转速,该与叶轮转向相反的切向速度逐渐增大;离心压气机设计点进气在叶片压力面和吸力面前分别形成与叶轮转向相反和相同的切向速度区域,该区域不限于轮盖附近.轮盖导叶的流动控制方法可以有效抑制近喘振点切向反速度,实验结果表明,轮盖导叶使得离心压气机整体性能得到了提高,在90000r/min近喘振点压比提高了3.4%,效率提高了3.0%.      

基于补偿切割法的离心泵轴向力控制试验

为解决切割叶轮后盖板平衡轴向力的方法会导致泵扬程和效率降低这一关键问题，提出了一种补偿叶轮后盖板切割量平衡轴向力的方法。采用在同一个叶轮上切割叶轮后盖板和补偿叶轮后盖板切割量的研究方案，开展了泵性能、叶顶间隙压力、前后泵腔及平衡腔液体压力的系统测量。试验研究表明：以原型叶轮在设计流量下的扬程、效率和轴向力为基准，相对切割率为3.81%、7.62%、11.43%时，泵的扬程分别下降了3.52%、6.41%、9.93%，效率分别下降了2.97%、4.59%、6.18%，轴向力分别降低了8.02%、20.57%、22.3%；而补偿叶轮后盖板切割量后，泵的扬程最大降幅仅为4.18%，效率最大降幅仅为2.7%，轴向力最大降幅达到了83.1%；相对于切割叶轮后盖板而言，补偿叶轮后盖板切割量可以使前泵腔压力升高而后泵腔压力降低。     

向心涡轮内部流动数值模拟分析

利用三维数值模拟方法对向心涡轮内部流动进行数值模拟,分析了岛型导叶的气动特点、通道中的二次流动和各个涡系的发展以及不同叶尖间隙对流动的影响。结果表明:在一定范围内岛型导叶对气流角变化不敏感;在靠近动叶进口处二次流动比较明显,流动比较复杂,而通道中各个涡系的演化发展都集中在靠近动叶吸力面一侧;随着的罩壳半径的减小,动叶叶尖处间隙流动逐渐增强;适量的间隙流动有利于改善通道顶部区域流动。      

微尺度离心叶轮间隙泄漏流动堵塞模型

通过理论分析结合数值模拟,开展了针对微尺度离心叶轮间隙泄漏流动堵塞模型的研究.结合微尺度旋转机械低雷诺数和高马赫数的工作条件,建立了考虑可压缩性和黏性损失的间隙泄漏流动堵塞模型.通过数值模拟分析了微尺度间隙泄漏流动特征及黏性在其中的作用,判定黏性作用对间隙泄漏流动的驱动作用不可忽略,黏性作用与压差作用对间隙泄漏流动的驱动作用效果相当.同时,黏性作用还会导致间隙泄漏流动的初始堵塞增大.采用某微尺度离心叶轮对间隙泄漏流动堵塞模型进行了验证,从数值计算结果中提取气动堵塞结果并与模型预测结果进行对比,表明改进的间隙泄漏流动堵塞模型能更准确地对间隙泄漏流动堵塞进行评估,在微尺度条件下具备更好的适用性.      

叶尖泄漏流对压气机稳定性影响的数值分析

为研究叶尖泄漏流对稳定性的影响,发展了一种叶尖泄漏涡模型,并且在由课题组开发的TUSIAC(three dimensional and unsteady stall inception analysis code)程序中实现。该程序将转/静子叶排模化为三维激盘,并在无叶区求解三维非定常欧拉方程,黏性的影响通过特性曲线体现,因此对计算资源的要求较低。数值模拟的结果表明:在叶尖间隙的影响下,压气机的性能和稳定裕度均有所下降。叶尖间隙不改变失速先兆的类型,但使得失速团旋转速度加快,周向尺寸减小。所发展的叶尖涡模型能够预测叶尖间隙尺寸对压气机稳定边界与失速起始过程的影响,从而为在设计初期考虑压气机的气动稳定性、并且优化压气机设计,提供了一种较为实用的方法。      

涡轮叶冠间隙流场PIV测量

为了研究带有冷却气流的涡轮叶冠间隙流场流动特性,采用粒子图像测速仪(PIV)技术得到了叶冠间隙流场中各个典型截面的瞬时流场显示,并对叶冠间隙流场特性进行了研究.研究发现:由于叶冠腔内有两股叶尖冷却气流的注入,叶尖泄漏流流过叶冠间隙时会与两股冷却流相互掺混,从而使腔内气流的流动状态变得非常复杂,因此在叶冠突肩之后以及叶冠腔内流体汇合处会有大小方向各异的涡流产生.同时,两股冷却气流均对泄漏流有一定的阻挡作用,前孔冷却流的阻挡作用更为明显.随前孔与后孔岀流比增加,前孔流及后孔流对泄露流的阻挡作用增强.      

透平叶顶泄漏能量损失的数值计算

商用N S求解器已经被用于透平动叶顶部空隙的非定常流场的模拟和研究。本文介绍了一种新的用于透平动叶片顶部空隙区域流场计算的能量损失方法 ,可以方便地用于各种流场。发现高黏度效应区域位于上端壁附近而不是在叶片顶部。研究表明对于不同的动叶片其顶部泄流的能量时均损失是不一样的。该结果提供了一个有用的线索 ,可以通过叶片设计者设计出不同几何和空气动力学参数的非统一的动叶片 ,从而减小能量损失     

涡轮叶冠换热特性实验与数值模拟

利用数值模拟及实验方法对涡轮叶冠间隙流场换热特性进行了研究,分析静止状态下叶尖泄漏流雷诺数、前后孔岀流比、叶尖间隙等参数对叶冠的表面传热系数的影响.结果表明:叶冠转速的变化对表面传热系数影响较小;随着泄漏流雷诺数的增加,叶冠的平均表面传热系数增大;平均表面传热系数随前、后孔岀流比增大而增大,其中前孔出流比的影响较为明显;叶尖间隙减小,平均表面传热系数增大,并且随叶尖间隙的减小,增长越来越快.将计算与实验结果进行了比较,吻合良好,误差小于10%.      

三元整体叶轮的几何造型与数控加工刀具路径规划

采用三次B样条曲线对叶轮中性面上盖盘和轴盘的两组数据点进行插值，得到盖盘曲线和轴盘曲线，进而得到直纹面形式的叶轮中性面；按照叶片的厚度做盖盘曲线和轴盘曲线的变距偏置曲线，得到叶片曲面的直纹化表达式；在此基础上，讨论了三元叶轮加工的刀具路径规划方法，给出了确定球头刀刀心位置和计算残留误差的两种迭代算法，最后给出了加工实例。