融合宽度及位置对叶身/端壁融合叶栅性能影响的数值研究

角区分离是制约压气机负荷提升的关键因素,叶身/端壁融合设计(BBEW)可有效组织角区流动,减弱或消除分离。为了研究融合宽度及其弦向位置两个关键设计参数对性能影响,采用经实验校核的数值方法对所设计原型叶栅及9种叶身/端壁融合叶栅进行研究。结果表明:所设计原型叶栅出口下游截面高损失核心区域的展向位置随攻角增大而逐步抬高;叶身/端壁融合叶栅融合位置位于分离点前、后对性能影响孑然不同:融合位置位于分离点前,叶身/端壁融合叶栅效果随来流攻角增加而逐渐显现,在+10°攻角下最佳融合方案可使14%展高处总压损失减小16.2%;但融合位置位于流动分离起始点之后会在全工况内增大损失。融合宽度则存在最佳值,应小于来流附面层厚度。     

不同长度吸力面小翼对压气机叶栅间隙影响的数值研究

对常规直叶栅和三种具有不同长度和起始位置的吸力面小翼叶栅内的三维黏性流场进行了数值模拟.结果表明,不同长度吸力面小翼都不同程度上改善了叶栅顶部的气流流动状况;在叶顶吸力面侧加装与其型线等长度的小翼可以较好地削弱泄漏涡的强度,随着叶顶间隙的增大,泄漏流动增强,其作用效果逐渐降低.     

扩压叶栅角区-吸力面造型设计及流动控制机理

通过数值模拟,分别针对扩压叶栅的设计工况与角区失速工况进行叶身/端壁融合与吸力面优化造型设计,分析其流场结构与性能的变化,并探究两种优化造型对压气机性能改善的机理。优化结果表明:在设计工况下,优化造型吸力面凹陷,使得吸力面附面层厚度变薄,最大端壁融合位置靠近尾缘,角区低能流体在压力梯度的作用下转移并减少,分离结构得到明显控制,损失降低;在角区失速工况下,优化造型吸力面凸起,最大端壁融合位置靠近前缘,使得前缘分离结构显著减弱,当流体在进入吸力面前缘时提前附着,前缘分离区减小甚至消失,损失降低。根据两种造型流场结构特点与控制机理,可构造出在多工况下具有显著作用的叶身-端壁融合造型。     

尾流撞击效应对轴流压气机下游叶排涡面的影响

针对某高负荷高压压气机末级,通过研究上游转子尾迹涡面周期性扫掠对下游静子涡面的影响,从涡面非定常作用的角度分析流场时空结构.结果表明,流场性能的改善与涡面时空结构相对应,尾迹涡面同分离涡面的相互作用可显著降低流动损失;与上游尾迹涡面发生耦合的是叶片尾缘旋涡交替脱落频率而非吸力面前缘分离涡不稳定频率.      

大转角涡轮叶栅复合弯曲定性分析与应用验证

通过定性推导分析了复合弯曲对叶栅吸力面静压分布与端部周向迁移流体折转过程的影响,明确了复合弯曲对大转角高负荷平面涡轮叶栅流场的影响机制,并结合已有仿真结果进行了初步验证。复合弯曲是在反弯叶片吸力面端部进行局部正弯,令叶片压力面反弯、吸力面端部正弯结合叶身反弯的造型方式。研究表明,复合弯曲设计通过改变吸力面低能流体的展向迁移趋势与周向迁移流体的折转趋势抑制了叶栅二次流的发展。一方面,复合弯曲设计调节了叶展中部与叶栅端部附近吸力面逆压梯度与展向静压梯度分布,抑制了吸力面低能流体向脱落涡与壁角涡高损失区的迁移与堆积;另一方面,复合弯曲设计影响了周向迁移流体折转过程,抑制了周向迁移流体向叶栅端部的折转及其折转过程中与吸力面附近流体的掺混。因此,复合弯曲设计能够在常规反弯基础上进一步改善叶栅流场。      

端壁翼刀控制压气机叶栅二次流的数值研究

对CDA常规直叶栅和4种端壁翼刀方案下叶栅内三维粘性流场进行了数值研究。分析表明,端壁不同位置上的翼刀不同程度上都阻断了近端壁区域压力面至吸力面的二次流动,翼刀上方偏向吸力面侧有反向"翼刀涡"产生,通道涡的强度被削弱;距压力面30%节距位置为安装端壁翼刀的最佳位置,可使损失降低7%～9%。计算结果和实验结果吻合较好。      

叶片弯曲对叶顶间隙流动影响的实验研究

详细测量了直叶栅与正、反弯叶栅叶顶间隙中分面以及叶栅前、后横截面内气动参数分布,并对壁面（包括上、下端壁与叶片表面）流场进行了墨迹显示。对比３ 套叶栅的实验结果发现：叶片正弯削弱了泄漏流与端壁流道内横向二次流,泄漏涡与上通道涡合并,二次涡分离由整体分离转变为局部分离,既减少了相对漏气量又降低了掺混损失;叶片反弯加强了泄漏涡与上通道涡的相互作用,虽然使相对漏气量减少,但却增大了掺混损失。     

端壁合成射流对高负荷涡轮叶栅涡系结构和流动损失影响的数值研究

为探究端壁合成射流对高负荷涡轮叶栅中涡系结构和流动损失的影响,采用非定常数值模拟方法分析了不同激励参数下合成射流对Durham叶栅流动损失的控制效果以及涡系结构和流动损失的对应关系。结果表明,合成射流减小了前缘马蹄涡和通道涡的尺度,削弱了来自相邻叶片压力面的横向涡,略微增强了壁角涡,并间接削弱了壁面涡;在无量纲幅值和频率分别为0.073和1时,控制效果最佳,总压损失系数减小约为10.72%;从控制机理上讲,合成射流加强了主流和射流下游边界层的掺混,增加了边界层动量,从而削弱了马蹄涡;合成射流影响了叶片压力面的流动分离,改变了由于分离产生低能流体的位置和范围,从而削弱了横向涡。由于漩涡的削弱,流动损失也随之减小。     

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

一种叶顶叶栅结构对压气机间隙流动的影响

为减小压气机间隙流动带来的流动损失,提出了一种新的叶顶结构,即在常规叶片叶顶上构造出由数个小叶片组成的叶栅.通过对具有该结构叶片的三维流场进行数值模拟,分析了端壁移动对压气机间隙流场的影响.结果表明:该结构明显改善了叶顶附近的流动状况,从泄压和导流两方面抑制了叶顶附近流体从压力面向吸力面的泄漏,有效削弱泄漏涡的强度,进而减小泄漏涡扩散带来的损失,提高了压气机气动性能,相比常规叶片叶栅出口总压损失系数减小达1.158%.      

单转子轴流压气机不同状态下进出口三维时均流场

用圆锥四孔高频压力探针测量了单转子轴流压气机不同流量状态下, 转子进出口三维时均流场。结果表明, 压气机转子进口流动沿周向呈现较强的周期性变化, 尤其在近失速状态, 叶片压力面侧总压和静压高, 吸力面侧总压和静压低, 而前缘附近轴向速度低、相对气流角大。      

叶片通道内涡流发生器变工况适应性

横向二次流是制约叶轮机气动负荷进一步提升的主要因素。在叶片通道内施加涡流发生器有抑制通道横向二次流的潜力，但涡流发生器的最优施加方案很难确定。基于涡流发生器经验统计模型(BAYC模型)和响应面方法建立了一种端壁涡流发生器的高效设计方法。基于这一方法，实施于NACA 65直列叶栅，得到了三种涡流发生器优化方案，并在设计工况下和非设计工况下讨论了涡流发生器对端壁横向二次流的控制机理，发现具有更大的涡流发生器高度和更多的涡流发生器数量的方案在面对大攻角下的强横向二次流情况时能够有更强的余力对横向二次流加以控制，大大扩展了叶栅的攻角适用范围。      

压气机静子非轴对称端壁优化设计及实验

为了探索多级压气机环境下非轴对称端壁优化设计方法,通过数值仿真优化和实验测试方法对某中间级静子的机匣端壁和轮毂端壁进行了非轴对称端壁造型研究,提出了在优化时将目标函数选择为近端壁的局部叶高总压损失系数。结果表明:相较于传统的全叶高总压损失系数作为目标函数的优化方法,该优化方法可以在较少的优化步数（400步）内使得静子总压损失系数下降更多,这表明该方法可以有效降低优化耗时,为多级压气机中进行非轴对称端壁优化设计的工程应用奠定基础。      

非轴对称端壁造型对叶片端壁气热性能影响的研究

为了研究非轴对称端壁造型对典型燃气透平叶片端壁气动热力性能的影响,基于双控制型线非轴对称端壁造型方法,建立了间隙射流和主流掺混作用下非轴对称端壁气动热力性能的数值研究模型。在数值验证的基础上,研究了4种不同非轴对称端壁造型几何结构对叶栅端壁流动特性和气膜冷却性能的影响规律。结果表明,针对本文研究的大转折角透平叶片,在叶栅通道前部进行非轴对称端壁造型,会增强端壁的横向二次流,导致叶栅总压损失系数略有增大,会降低端壁的气膜有效度。而在叶栅通道后部进行非轴对称端壁造型,可以有效削弱端壁的横向二次流,减弱通道涡,从而降低叶栅的总压损失系数,同时,能够提升端壁横向平均气膜有效度高达22%,有利于提高端壁的气动热力性能。     

绊线对大子午扩张涡轮端壁的气动及传热性能影响研究

为了探究绊线对大子午扩张涡轮端壁边界层分离和马蹄涡的削弱效果,分析绊线对大子午扩张涡轮端壁传热特性的影响。对某1.5级涡轮应用SST湍流模型对端壁流动进行精细捕捉,并进行了气动和传热的有效性实验验证。结果显示：绊线减弱了叶片前缘驻点高压区,使得上端壁分离点位置提前;绊线增强了来自涡轮动叶的泄漏涡强度,但极大地削弱上通道涡;此外,中间位置绊线使得总压损失降低了2.28%。叶片前缘热负荷增加,Trip(5.3% E)绊线使得叶片表面热通量降低1.66%。大体上讲,绊线的引入减小了大子午扩张涡轮通道涡等二次流的影响,优化了大子午扩张涡轮的流场,降低叶片表面换热量。     

压气机通道端壁附面层区叶片载荷分布研究

为了探索叶片载荷分布对端壁附面层区流动的影响,设计出3套平面叶栅,叶片载荷分别趋前、居中和靠后。对于低速流动,采用实验和三维Navier-Stkoes方程方法对叶片表面、叶栅出口流场进行了研究。研究表明:叶片载荷靠后叶片(No.3)性能较叶片载荷趋前(No.1)和居中(No.2)叶片差;No.2叶片与No.1叶片比较,出口损失小,但落后角较大,扩压能力较小;在进口端壁附面层一定时,叶片前缘附近的端壁附面层区叶片力亏损变化与叶片力变化呈正相关;端壁面与叶片吸力面之间构成的角区内角涡,没有造成靠近后缘端壁附面层区吸力面静压明显下降。      

高负荷涡轮端区非定常流动相互作用研究

采用三维黏性非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮端区非定常流动相互作用,着重研究了上游静子尾迹与转子二次流的非定常作用机制,同时还分析了负荷分布、激波等对端区非定常流动的影响。结果表明,静子尾迹的非定常作用一定程度减小了转子轮毂二次流的径向涡量;尾迹对流向涡量的影响取决于尾迹沿叶高的分布,当吸力面一侧的尾迹具有与二次流方向相反的流向涡量时,二次流的流向涡量减小;非定常效应还使得转子叶片根部负荷略为减小,也一定程度上抑制了转子轮毂二次流的发展。此外,受静子尾缘激波的影响,转子叶片表面负荷分布发生明显的周期性变化,导致叶片表面承受较强的非定常力,在涡轮设计中必须考虑。另外,通过计算涡轮级中的熵增和熵产,定量地分析了端区非定常相互作用产生的损失,并得到了一些有意义的结论。     

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。