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。     

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。     

1.5级涡轮实验台前腔燃气入侵实验

在1.5级涡轮实验台上,针对不同转速和不同封严质量流量,分别采用稳态压力测量、瞬态压力测量和二氧化碳体积分数法对燃气入侵现象进行了实验研究,以确定不同工况下主流的动静叶相互作用对燃气入侵的影响以及入侵到盘腔的燃气在腔内与冷气的掺混过程.结果表明:静叶后的时均压力在周向有明显的周期分布,部分区域封严环外的压力高于腔内压力,且随着封严质量流量增加,这一区域逐渐缩小;动叶扫掠带来同频率的压力波动,对于燃气入侵的发生有着重要的影响;通过二氧化碳体积分数实验获得了最小封严质量流量,并得到在封严质量流量不足情况下燃气沿着静盘侧入侵盘腔的结果.      

涡轮蜂窝面径向轮缘密封封严性能的数值研究

采用附加示踪变量方法,数值求解三维Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(URANS)方程和SST紊流模型,研究了典型光滑面径向轮缘密封和新设计的蜂窝面径向轮缘密封的封严性能。数值计算了光滑面轮缘密封的封严效率。数值结果与实验数据吻合一致,验证了所发展数值方法的有效性。计算了三种封严冷气量下蜂窝面和光滑面径向轮缘密封的封严效率,分析对比了两种轮缘密封的封严性能和流场特性。研究结果表明:新设计的蜂窝面径向轮缘密封的封严效率相比于光滑面结构在相同冷气量下提高52%~67%。在径向内齿上开设蜂窝孔结构会增加流动阻力,抑制入侵燃气进入涡轮盘腔,有效地提高了轮缘密封的封严性能。     

1.5级涡轮前后轮缘密封封严流动特性研究

为了研究前后腔轮缘密封封严特性和封严出流与主流的交互作用,对转静叶片之间带有前后封严腔的1.5级涡轮进行了三维定常数值模拟,研究了不同封严流量下前后封严腔出口处流场分布并采用附加变量法对比分析了前后腔轮缘密封效率。结果表明：前封严腔主流燃气入侵位置主要受到来自上游导叶尾迹的影响,后封严腔主流燃气入侵位置主要受到下游导叶前缘位势场影响;封严出流影响了20%叶高以下的主流区域,增大了轮毂二次流强度;采用相同封严流量下时前封严腔的封严效率较后腔更低且有着更大的封严效率波动。     

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.      

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。     

封严间隙对盘缘密封性能影响的数值研究

通过对真实工况下高压涡轮的盘缘封严进行三维数值模拟,研究了3种不同轴向间隙和径向间隙对封严效率和盘腔内流场变化特性的影响规律,结果表明:针对复合封严结构及研究参数范围,由于静盘封严环将盘腔划分为封严外容腔和封严内容腔,而封严外容腔可以有效地将主流燃气阻隔在内,因此封严内容腔具有较高的封严效率。当轴向间隙增大时,封严环轴向重合度会逐渐减小,同时冷气出流阻力降低,盘腔的封严效率因而提高。当轴向间隙一定径向间隙逐渐减小时,封严外容腔径向距离减小,此时盘腔低半径处封严效率升高。     

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%。     

燃气轮机轮缘密封气动技术研究进展

为明确轮缘密封技术发展现状及趋势,在相关文献调研基础上,从轮缘密封燃气入侵的预测模型、轮缘密封不稳定流动机制、涡轮轮缘密封燃气入侵特性及流动机理、轮缘密封出流与涡轮主流的相互干扰、涡轮轮缘密封设计及气动性能改进等方面对燃气轮机轮缘密封气动技术的研究进展进行综述。简要总结了轮缘密封流动的常用研究方法与研究结果,并指出未来除需进一步完善多参数耦合影响下的多种封严结构燃气入侵理论预测模型,强化涡轮高参数试验及高精度数值计算方法外,还应在变工况条件下的旋转诱导入侵、轮缘密封间干扰和封严出流与主流非定常交互演化机制等方面开展更深入的细致研究,并在此基础上探索高性能轮缘密封结构设计优化技术。另外,强化气热环境下的封严出流对涡轮冷却特性的影响研究,发展考虑封严出流作用的涡轮低维度气动设计技术也是轮缘密封技术发展的重要方向。      

高压涡轮圆柱孔状径向轮缘密封封严特性的数值研究

径向轮缘密封结构在增大主流燃气入侵阻力同时也会阻碍封严冷气的向上输送,为此提出了一种在径向轮缘密封的径向内齿上打孔来改善其封严性能的设计思路.针对Lisa1.5级高压涡轮实验台,设计了一种传统和五种带孔新型的径向轮缘密封,采用数值模拟方法评定了圆柱孔孔径D和孔心距Sh对封严性能的影响,并揭示了其改变封严特性的流动机理....     

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.      

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.     

导叶冷却对涡轮级性能影响的数值研究

针对某高压燃气三维扭转涡轮导叶全叶身冷气射流进行了数值模拟,详细分析了在设计转速下改变冷气流量对叶片气动性能、冷却效率和叶栅通道损失的影响;对比分析了在冷气流量相同的条件下,改变转速对涡轮级性能影响.结果表明:不同冷气流量对导叶冷却孔附近区域的静压影响较为明显,而对下游转子的型面静压影响不大;导叶冷气射流对叶栅通道内主流气流角影响较小;冷气流量占主流流量由2.50%增加至6.25%,叶片绝热壁温降幅达11.19%,导叶叶栅通道总压损失和能量损失分别增加了12.95%和12.01%,而涡轮级功率和级效率分别降低了2.39%和1.51%.      

波浪形非均匀间隙封严结构影响涡轮性能的数值模拟

利用数值模拟的方法研究了波浪形非均匀间隙封严结构和均匀轴向间隙封严结构下轮缘封严气流对涡轮性能的影响.研究表明:燃气入侵与出流结构受到静盘、动盘及主流切向速度的影响,以低于动盘转速同向旋转,并改变了转子的进气条件,增强了压力面马蹄涡强度,因此对转子出口流场造成很大影响.封严气流与上游导叶尾迹的相互作用引起转子通道内熵增,造成涡轮效率的下降.与均匀轴向间隙封严结构相比,波浪形非均匀间隙封严结构使大的入侵与出流结构破碎为小的结构,对涡轮性能的负面影响减小,涡轮效率提高了0.9%.结果证明了波浪形非均匀间隙封严结构在具有较好的封严效果的同时提高了涡轮性能.      

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。     

冷气掺混对高压涡轮气动性能影响的数值研究

采用数值方法研究了冷气掺混对高压涡轮气动性能和叶栅通道内部二次流动结构的影响，计算结果表明:冷气流量增加，冷却高压涡轮导叶和转子型面总载荷降低，导叶进、出口马赫数均减小，转子出口相对马赫数在径向0~0.55区域增大而在径向0.55~1.0区域减小.导叶进、出口气流角受冷气流量的变化影响较小.冷气流量由压气机进口流量的4.83%增加至14.49%，转子进口相对气流角在径向0.05~0.95区域增大而出口相对气流角在径向0.6~1.0区域减小，导叶绝热壁面冷却效率先升高后降低而转子绝热壁面冷却效率提高了19.33%.轮毂和机匣封严气呈束状进入转子叶栅通道且腔内封严气流动受旋转轮盘抽吸效应影响较大.