叶型偏差对涡轮性能影响的非定常数值模拟研究

叶型的加工和装配误差难以避免,这将对涡轮的气动性能产生一定的影响.采用定常和非定常数值模拟结合整机实验的方法,研究了叶型偏差对涡轮气动性能及内部非定常流动细节的影响,并比较了定常和非定常计算结果的差别.研究结果表明:在整个工作范围内,叶型偏差都会造成涡轮性能的明显下降,通道涡和泄漏流的发展、前缘吸力峰的强度、激波的形态和强度等流动结构以及叶排间的非定常相互作用都会随叶型的变化而显著改变,而非定常数值模拟对涡轮气动性能和流动结构受叶型偏差影响的捕捉更为准确.     

定常假设优化叶型在非定常数值模拟下的气动性能研究

利用数值模拟手段对基于定常假设条件优化得到的涡轮动叶叶型进行了非定常研究,分析了优化前后叶型在非定常流动条件下的性能表现,对比定常计算结果和实验结果,表明基于定常假设优化得到的叶型在非定常流动条件下仍然具有较好的气动性能,但非定常计算更能准确地反应叶型的真实性能。     

一种大负荷低压涡轮叶型的气动性能

基于Lantry-Menter转捩模型,分别对Zweifel升力系数为1.2的一种大负荷低压涡轮叶型在定常来流不同湍流度、雷诺数条件下,上游非定常、周期性尾迹作用下的流动进行了数值模拟.计算结果表明,定常来流低雷诺数条件下,湍流度对该大负荷叶型的气动性能影响较大;上游非定常、周期性尾迹对叶型吸力面分离泡的抑制作用可进一步减小低雷诺数条件下的叶型损失.计算结果揭示了该大负荷叶型在低压涡轮内部真实流动环境中的表面流动及损失特征,对国内现行低压涡轮设计有着较好的启示.      

轴向间距变化对低压涡轮定常与非定常气动性能影响的数值研究

为了研究不同轴向间距下定常计算与非定常计算间的差异,以表明在涡轮设计中进行非定常计算与分析的必要性,对高负荷低压涡轮级进行了在不同轴向间距下的定常和非定常流动的数值模拟研究,并通过分析动静干涉条件下轴向间距变化对涡轮气动性能的影响并与定常条件下间距变化对气动性能的影响进行对比。结果表明:只有在某个合适的轴向间距范围内,定常计算结果才具有较好的参考价值;轴向间距的增加使得动叶正、负攻角都有减小的趋势,有利于改善动叶的流动状况;非定常流动的动量掺混损失具有其逆效应,它使动叶端部横向压力梯度减弱,二次流损失下降。     

弯曲/倾斜叶片对大展弦比涡轮气动性能影响

为了获得弯曲/倾斜导叶对大展弦比低压涡轮气动性能的影响,通过求解基于耦合转捩SST湍流模型的雷诺平均N-S方程组,对GE-E3低压涡轮叶栅的进行了全三维粘性定常与非定常数值模拟。研究了弯曲/倾斜导叶对涡轮级效率的影响,分析了对导叶叶栅气动性能、导叶扩散因子与边界层发展的作用,以及对下游动叶气动性能和动叶吸力面流动特性的影响。结果表明,正弯导叶减小了二次流损失却带了更大的叶型损失,降低了涡轮级效率,而正倾斜改变了上下端壁的二次流损失分配,对总的叶型损失影响较小,在一定角度下能够改善大展弦比涡轮叶栅的气动性能。     

1+1/2对转涡轮非定常流动数值模拟

为了掌握对转涡轮内部的复杂流动以改进航空燃气轮机的设计,利用数值模拟手段对所设计的1+1/2对转涡轮内部非定常流动进行了研究,将定常和非定常结果进行了详细的对比分析,结果表明:非定常结果与定常结果相比出功比减小,总效率约减小0.44%,流量基本不变,其中尾迹、激波、位势作用以及泄漏流等因素之间的相互作用是影响非定常特性的主要因素.      

非定常条件下叶片弯曲对流场参数的影响

分别对具有弯、直导叶的一级涡轮叶栅流场进行了非定常的数值模拟。研究了叶片弯曲对多级叶栅流场非定常气动性能尤其是效率的影响 ;分析了叶片弯曲对尾迹扩散效应及对其三维形状的影响 ;以及尾迹形状与扩散过程的变化对动叶进口条件的改变 ;同时还研究了叶片弯曲对涡轮级内非定质量堆积的影响。通过对定常效率与非定常效率波动及其平均值的对比 ,分析了在考虑非定常条件下弯曲导叶对降低本列叶栅损失与动叶内损失的贡献     

局部进气ATR涡轮性能影响因素数值模拟研究

为研究局部进气条件下ATR涡轮内的流动特性,对局部进气涡轮进行定常和非定常数值模拟.定常计算采用冻结转子方法,改变动叶与静叶的周向相对位置研究涡轮内流场特征;改变进气扇区布局、进口参数和局部进气度,研究其对涡轮性能的影响.研究结果表明,对于给定局部进气度,进气扇区整体布局时,涡轮性能的优越性最大;在局部进气ATR涡轮的设计中,需要综合考虑流量、效率和功率3个因素来决定局部进气度.不同位置定常流动结果的平均值与非定常流动的时均值存在差异,非定常计算更好地展示了静叶尾迹和流动积累效应的影响,因而更加可靠.     

低雷诺数高负荷低压涡轮叶型的气动设计

采用平面叶栅实验和数值模拟研究了不同负荷分布设计以及基于二维展向凹槽处理的非光滑型面设计对高负荷低压涡轮叶型流动损失的影响规律.研究表明:在低雷诺数状态下前加载负荷分布设计对高负荷低压涡轮叶型的二维气动性能更有利;二维展向凹槽处理的非光滑型面设计能够有效改善高负荷低压涡轮叶型在低雷诺数状态下的气动性能,但同时可在一定程度上恶化叶型在高雷诺数状态下的气动性能;基于二维展向凹槽处理的非光滑型面设计与后加载负荷分布设计的结合能够在更为宽广的雷诺数工况范围内改善叶型的气动性能.      

大负荷低压涡轮叶型分离转捩流动的大涡模拟

应用动力模式大涡模拟数值方法,对来流无扰动、不可压、雷诺数为5×104(基于进口速度和轴向弦长),定常来流条件下大负荷低压涡轮叶型(Pak B)叶型吸力面非定常分离转捩流动进行了三维数值模拟。在与相关实验数据的对比基础之上,对非定常流动物理信息进行了详细的分析讨论,揭示了计算来流状态下的Pak B叶型吸力面非定常分离转捩流动机理。结果表明,由无粘Kelvin-Helmholtz机制产生的、空间线性增长的初始二维不稳定性在分离剪切内诱导展向旋涡形成并脱落,脱落过程中的展向涡在非线性增长的三维不稳定性作用下发生变形并最终破碎成湍流。计算得到的Kelvin-Helmholtz不稳定性特征频率处于相关实验测量范围内。     

2级涡轮内部流动定常与非定常计算差异研究

为获取进而认识涡轮内部流动状态,以某2级约化形式的动力涡轮为研究对象,分别对其进行定常和非定常数值计算和分析.研究表明:定常计算与非定常计算对涡轮内部流动的模拟结果,如叶片表面的压力分布、叶排进出口的气流角、叶片通道中的二次流流向涡、展向涡、叶片通道中的损失等,均存在差异;流动的非定常性越强,定常与非定常计算结果的差异越大,且该差异大小对于静叶与动叶呈相反的展向分布规律.     

高负荷跨声速涡轮叶型设计方法研究

为合理控制涡轮叶栅内超声速区域的流动结构、降低激波损失,提出一种跨声速涡轮叶型设计方法。通过构造叶栅跨声速流动区域的波系结构,采用预压缩等设计,在提高涡轮叶型气动负荷的同时降低了涡轮叶栅内激波强度。应用该方法完成了高压涡轮的气动改进。结果表明:全新的高负荷跨声速涡轮叶型设计方法,对提高涡轮气动效率和涡轮叶型气动负荷、降低跨声速涡轮叶栅内的激波损失具有明显的效果。     

高压压气机出口级叶型加工偏差特征及其影响

以高压压气机出口级叶片叶中截面作为研究对象,获得了实际压气机叶片加工偏差的分布特征,并分析了实际加工偏差对叶型气动性能的影响。以此为基础,研究了加工偏差对叶型性能的影响机理。研究结果表明,实际叶型加工偏差存在一定的系统性偏差,从而导致实际叶型气动性能的平均值偏离设计值。叶型偏差对叶型气动性能的影响存在一定的非线性效应,这在前缘区域更为明显,从而导致了平均叶型的气动性能与实际叶型平均性能出现了明显偏差。前缘附近的几何偏差对吸力面和压力面的速度峰值有较大的影响,因此前缘附近的偏差是使叶型的气动性能产生系统性偏差和增大不确定度的主要因素。根据对流动机理的分析,进口几何角偏差是导致叶型性能出现系统性偏差的主要原因;可以近似用均匀偏差来估计叶身加工偏差对正负攻角范围和损失的影响。     

外并联涡轮基组合循环进气道模态转换技术研究

对一种外并联涡轮基组合循环发动机进气道进行了基于定常和非定常的模态转换过程气动特性分析,并研究了模态转换时间对进气道气动性能的影响。最终获取了进气道模态转换过程的流动特性,并分析了模态转换时间对外并联TBCC进气道的气动性能影响。结果表明:低速唇口旋转角度相同时,不同模态转换时间下的气动性能参数基本一致。     

超声速进气道加速/减速过程起动/不起动现象研究

为了研究加速/减速过程中超声速进气道的起动/不起动现象,对二元超声速进气道的二维流场进行了定常/非定常数值模拟.分析了在来流马赫数为1.75~2.05范围内4种不同加速度绝对值对进气道气动性能的影响,并对定常/非定常模拟方法的结果进行了对比.结果表明:与定常模拟时相比,非定常数值模拟时进气道的流场特征在加速起动过程中和减速不起动过程中均存在明显的滞后现象,且加速度绝对值越大,滞后现象越明显;非定常模拟时的进气道处于起动状态时,其气动性能存在迟滞现象;当加速度绝对值一定时,进气道起动过程耗费的时间大于不起动过程耗费的时间.      

叶片前缘形状对涡轮气动性能的影响

采用Bezier曲线控制涡轮叶片前缘形状由圆弧形改为非圆弧形,用数值计算方法研究涡轮叶片前缘形状对其气动性能影响.首先以基元叶型为研究基础,数值模拟分析、比较不同基元叶型前缘形状在不同攻角下对涡轮叶栅性能影响.对于正常运行的攻角范围(-15°~+10°),由于非圆弧形前缘表面曲率半径增大较缓,减小了前缘表面流动的法向压力梯度,抑制过度膨胀,减小由摩擦力引起的能量耗散,损失减小,且非圆弧形曲率半径越大,提高性能效果相对越好.而在非设计工况的大攻角条件下,前缘曲率半径缓慢增大将导致叶型分离更严重,损失相对增加.其次以某5级低压涡轮作为验证实例,数值研究分析认为,非圆弧形前缘形状可改善叶片前缘流动特性,提高涡轮效率,但对于远离设计点的非设计工况,由于气流攻角的大幅度改变,会带来涡轮气动性能的负面影响.      

上游尾迹与涡轮转子泄漏流相互作用数值模拟

叶轮机内部流动本质上是周期性非定常的,研究涡轮转子叶尖区域的非定常相互作用机理,对提高小展弦比高负荷涡轮性能具有重要意义.利用数值模拟方法研究了上游静子尾迹与涡轮转子叶尖泄漏流的非定常相互作用,分析了定常结果、时间平均结果以及瞬时时刻结果的流动图画.结果表明:上游静子尾迹与涡轮转子尖区二次流的相互作用能明显影响泄漏涡和机匣通道涡的时空演化规律,从而改变转子尖区的损失分布.上游尾迹在转子通道中传播时,诱导泄漏涡和通道涡区域出现周期性的扰动涡对,扰动涡对沿着泄漏涡和通道涡的轨迹向下游运动,使得转子尖区二次流结构呈现周期性变化.      

考虑压气机动静干涉效应的非设计工况性能数值模拟

1引言非定常流动是叶轮机械内部固有的本质属性,而现有的设计体系中不论是在设计或分析时基本上采用定常流动的假设,从而忽略了非定常流动对叶轮机械在气动、结构强度等方面的影响。目前,国内外对非定常流动的研究比较多,但其中采用非定常流动数值模拟方法预估压气机非设计工况     

低压涡轮的气动-声学三维数值优化: 倾斜导叶策略

 低压涡轮既是飞机进场着陆时发动机的重要声源,也是发动机中对效率要求很高的部件之一,为了实现低压涡轮低噪声的设计目标必须同时兼顾气动性能指标。研究给出了高效低噪声低压涡轮气动-声学三维优化的思路,即首先通过计算流体力学(CFD)定常计算评估三维设计变化对气动性能的影响;然后利用非定常CFD方法与三平面压力模态匹配(TPP)方法的结合来评估其降噪的效果与非定常气动影响;最后确定最佳的设计方案。以GE-E³(Energy Efficient Engine)低压涡轮末级为算例,数值模拟了导叶倾斜作为低压涡轮降噪措施的潜力。计算结果表明,正倾斜导叶角度小于19°时单级涡轮气动性能较直列叶栅要好,效率最大提高了0.3%。对单音噪声级的评估指出,正倾斜由于改变了导叶的尾迹特征,涡轮级噪声水平是增大的,因此不能作为有效的降噪策略。数值研究的结果表明CFD方法能够同时反映出叶片三维设计的细节变化对气动和噪声级的影响,可以作为三维气动-声学优化的手段。     

某涡轮级三维流场非定常数值研究

基于耦合Lantry-Menter转捩模型的SST(Shear stress transport)湍流模型,对某涡轮级在3个雷诺数工况下的全三维流场分别进行了定常、非定常数值模拟,目的在于对比分析两种计算方法所得结果之间的差异。计算结果表明,进口雷诺数为4×104时和5×105时,定常与非定常计算的涡轮级效率的差异较大,最大相差0.6个百分点,而当雷诺数为8×104时,两者差异很小;非定常计算能够较好的模拟叶尖泄漏涡的发展过程、低雷诺数下上游尾迹与下游转子叶片吸力面分离边界层干涉诱导卷起涡的形成、输运及其所导致的叶片吸力面表面压力大幅波动等非定常流动现象。最后,给出了转子出口截面上周向与径向的非定常压力脉动的分布,为基于Lighthill声类比方法的计算气动声学研究奠定了基础。