阻旋栅对密封静力与动力特性影响的数值分析与实验研究

密封动力特性对旋转机械转子系统稳定性影响较大,在密封入口端部设置阻旋栅是提高密封稳定性的有效方法。设计加工了无/有阻旋栅共5种密封结构,从数值分析与实验研究两个方面研究阻旋栅对密封静力与动力特性的影响规律。建立阻旋栅密封静力特性CFD理论模型,数值分析阻旋栅对密封泄漏量、切向速度以及周向压力分布的影响;应用不平衡同频激励法实验研究阻旋栅对密封动力特性的影响。研究结果表明:阻旋栅可降低密封的泄漏量,减小密封内流体的切向速度,进而降低密封内流体的周向压力差,且随着阻旋栅周向稠度与径向长度的增加,这种作用逐渐增大,这是阻旋栅抑制气流激振力的主要原因;预旋是密封产生交叉刚度的重要因素,密封的交叉刚度随进出口压比与转速的增加而增大;阻旋栅可有效降低密封的交叉刚度,增加密封的主阻尼,提高密封的稳定性。本文研究揭示了阻旋栅抑制密封气流激振力的机理,为设计阻旋栅密封提供理论依据。     

预旋对阻旋栅密封泄漏特性与动力特性影响机理

应用非定常动网格技术,建立了阻旋栅密封多频椭圆涡动泄漏特性与动力特性求解模型,研究了周向含20、40个阻旋栅和40个加长型阻旋栅密封在不同预旋比下的泄漏特性与动力特性,并在实验验证数值模型准确性基础上,分析了预旋对密封进口流场,密封腔室旋流强度,周向压差及气流激振力影响,揭示了预旋对阻旋栅密封泄漏特性与动力特性影响机理...     

Effect of bristle pack position on the rotordynamic characteristics of brush-labyrinth seals at various operating conditions

Over the last few decades, the research on the effect of bristle pack position on the rotordynamic characteristics of the brush-labyrinth seals is not sufficient. To this end, two kinds of brush-labyrinth seals for the bristle pack element installed upstream of the labyrinth teeth named BSU and installed downstream of the labyrinth teeth called BSD were used to investigate the effect of bristle pack position on the rotordynamic characteristics of the brush-labyrinth seals. Using the numerical model combining the porous medium model and the whirling rotor method, the rotordynamic characteristics of the BSU and BSD at various operating conditions including four kinds of pressure ratios, five kinds of inlet preswirl speeds and four kinds of rotor spinning speeds were conducted. The obtained results show that the effects of operating conditions on rotordynamic coefficients for the different seal configurations are different. The direct stiffness, cross-coupled stiffness and direct damping of the BSU are lower than those of the BSD. The rotordynamic coefficients of the BSU are more insensitive to the operating conditions variation. From the perspective of the seal stability, the BSU is a better brush-labyrinth seal configuration at high pressure ratio, high positive preswirl or high rotor spinning speed conditions. While in the case of low pressure ratio, low positive preswirl or low rotor spinning speed conditions, the BSD is a better choice.     

Rotordynamic characteristics prediction for scallop damper seals using computational fluid dynamics

Enhancing damping characteristic is one of the effective methods to solve the instability problem of the rotor system. The three-dimensional numerical analysis model of scallop damper seal was established, and the effects of inlet pressures, preswirl ratios, rotational speeds, interlaced angles and seal cavity depths on the rotordynamic characteristics of scallop damper seal were studied based on dynamic mesh method and multi-frequencies elliptic whirling model. Results show that the direct stiffness of the scallop damper seal increases with decreasing inlet pressure and increasing rotational speed and cavity depth. When the seal cavity is interlaced by a certain angle, which shows positive direct stiffness. The effective damping of the scallop damper seal increases with the increasing inlet pressure, the decreasing preswirl ratio and the rotational speed and cavity depth. There exists an optimal interlaced angle to maximize the effective damping and the system stability. The leakage of the scallop damper seal is significantly reduced with decreasing inlet pressure. The preswirl will reduce the leakage flowrate, and the rotational speed has a slight effect on the leakage performance. The leakage of the scallop damper seal decreases with increasing seal cavity depth.     

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%。     

涡轮径向轮缘密封非定常燃气入侵和封严效率的数值研究

为防止燃气入侵涡轮盘腔,提高运行安全性,对盘腔和轮缘密封间隙内非定常流动机理进行了深入研究。采用数值求解三维URANS（Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes）和SST湍流模型的方法,研究了涡轮径向轮缘密封的非定常燃气入侵和封严效率。数值计算的径向轮缘密封的封严效率和环量比与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。分析了6种冷气流量下径向轮缘密封的非定常压力分布、封严效率和燃气入侵与冷气出流特性。研究表明：冷气流量的增加阻止了径向轮缘密封处的燃气入侵和强化了冷气出流,径向轮缘密封盘腔内的封严效率随着冷气流量的增加而增加;动盘附近的封严效率高于静盘;入侵燃气基本被限制在径向轮缘密封的间隙区域。径向轮缘密封间隙出口处的主流周向时均压力随着冷气流量的增加而增加,周向时均压力最大值与最小值的差值随着冷气流量的增加而减小。当动叶前缘与静叶尾缘距离较近且不断靠近的过程,主流周向压力最大值与最小值的差值增大,动静叶相分离的过程周向压力最大值和最小值的差值减小。在静叶和动叶间非定常干涉作用下,轮缘密封间隙出口区域主流周向压力最大值与最小值差值较大时刻的主流低压区域具有优良的封严效率,同时高压区域的燃气入侵导致封严效率降低。     

气膜孔局部堵塞对叶片压力面冲击-扰流柱-气膜结构综合冷却效率的影响

运用数值模拟方法研究了气膜孔局部堵塞对叶片压力面上射流冲击-扰流柱-气膜结构综合冷却效率的影响,重点分析了堵塞位置和堵塞比的影响。研究结果表明：无论是气膜孔内无堵塞还是存在局部堵塞情形,随着吹风比增大,综合冷却效率均呈现逐渐增大的趋势;在低的吹风比下,气膜孔出口-尾缘局部堵塞的综合冷却效率略低于无堵塞气膜孔,而在气膜孔进口-前缘和气膜孔出口-前缘的局部堵塞则导致综合冷却效率有较为轻微的上升;在高吹风比下,位于气膜孔出口-前缘和气膜孔进口-前缘的局部堵塞能够抑制气膜射流与主流相互作用所形成的卵形涡,从而冷却效率下降较少,而气膜孔出口-尾缘的局部堵塞则导致综合冷却效率降低较多;堵塞比对壁面沿程综合冷却效率的影响呈现非单调的变化趋势,这是由于冲击-扰流柱-气膜整体式冷却结构的冷却效果取决于内部强化传热和外部气膜防护的多重作用机制。     

进、排气壳对全流道大膨胀比涡轮性能影响研究

进、排气系统对涡轮级的性能影响鲜有研究,本文针对增压器涡轮,采用数值方法对全流道大膨胀比跨声速涡轮与进、排气壳进行耦合计算,探索进、排气壳耦合对涡轮级的性能参数影响,结果显示进气壳主要影响静叶10%叶高与50%叶高前缘来流气流角周向分布,静叶排会减弱进气壳带来的参数周向不均匀性,排气壳主要影响动叶尾缘0°与180°周向位置总压与静压分布,进、排气壳耦合涡轮级总静效率比均匀边界涡轮级下降0.25%。     

直通篦齿蜂窝封严结构的风阻特性试验

试验研究了直通直齿和直通斜齿与蜂窝衬套和光滑衬套4种组合的三齿两腔封严结构的风阻特性,得到了风阻特性随转速、压比、衬套和齿形结构的变化规律.结果表明:4种组合封严结构在低转速时风阻生热基本都可以忽略,转速在3000r/min到6000r/min之间变化时风阻生热引起的流体总温升随转速增大;采用光滑衬套时,泄漏流体流至首级齿腔处的总温升占进出口总温升比例维持在45%以上,而蜂窝衬套对气流黏滞作用大,低压比时首级齿腔总温升占进出口总温升的比例仅有20%左右,继续增加压比,首级齿腔处的总温升比例由20%增加到50%左右后保持不变;相同衬套时,斜齿比直齿具有较长的齿表面曲线长度,从而具有较高的风阻生热.      

叶尖及尾缘出流条件下内部冷却通道换热实验

为掌握某型高压涡轮叶片叶尖及尾缘出流流量分配比例对内部冷却通道换热特性的影响,利用瞬态液晶测量技术研究不同进口雷诺数、4种出流流量分配比例下局部换热分布规律及平均换热变化趋势.实验结果表明:相同出流流量分配比例、不同进口雷诺数下局部换热分布规律相似,出流流量分配比例对局部换热分布规律有决定性影响,主要体现在第2及第3通道,叶尖出流孔1出流会削弱这两个通道的局部及平均换热;叶尖出流孔2和尾缘间出流流量分配流量比例变化对第1、第2通道的局部及平均换热影响不大,影响主要在第3通道,提高尾缘出流流量分配比例会显著增强第3通道局部及平均换热.      

耦合进排气壳的增压器涡轮流动干扰及激振力弱化研究

为探究船用增压器涡轮在耦合进排气壳条件下的流动特性,采用SST湍流模型和FFT方法对某增压器轴流涡轮与进排气壳耦合的流场进行非定常数值模拟,重点分析排气壳非对称流场对涡轮动叶片压力的干扰特性和扰动来源,在此基础上提出基于导叶非对称布局的激振力弱化改型方案并进行了验证。结果表明：进气壳影响静叶前缘静压沿周向的分布,排气壳流场导致的非对称背压会给动叶表面造成低频的压力波动,约为3.6%的转子通过频率,在尾缘吸力面处该低频波动幅值大于动静叶排干涉导致的高频波动幅值;排气壳内部复杂的分离流动和涡系结构是产生上述流动干扰的主要原因。4种非对称布局方案都能在几乎不影响涡轮性能的前提下分散并弱化高频波动幅值;其中Case2尾缘高频幅值减小了98.6%,低频幅值减小了52.6%,而且涡轮效率还有略微提高,为最优布局。     

非均匀流等压比变后掠角高超侧压式进气道研究

通过理论分析和风洞实验,对工作在前体附面层内的侧压式进气道,研究了等激波压比和等溢流角前提下侧压缩面的设计方法,分析了６种不同的侧压缩型面在４种来流附面层中,波后压力沿高度的变化规律和溢流角的变化规律。研究发现,采用部分圆弧加直线为前缘。四次曲线为斜面后缘型线的侧压缩面,在４种非均匀来流下的特性较好。马赫５．３的非均匀流风洞实验结果表明,等压比和等溢流角设计的侧压式进气道较通常的直前缘侧压式进气道,在非均匀来流中喉道截面马赫数分布均匀度好,总压恢复略高     

Rotor 37顶隙泄漏流的演化、影响及机匣处理

在详细研究顶隙泄漏流的结构及其演化的基础上,分析了Rotor 37的失速机理,并对不同深度、宽度和位置的环向沟机匣处理方式进行了比较研究.研究发现:在该研究的顶隙高度下,发生在叶尖尾缘附近的大面积流动分离是造成压气机失速的直接原因.因而布置在叶片中段和尾缘的环向沟有利于提高压气机的喘振裕度.同时还发现,环向沟的深度对于其产生作用并没有明显的影响,而其宽度的影响则较为明显.      

进气预旋对环形混合器混合排气系统气动热力性能的影响

为了明确混合排气系统内涵进气预旋角对环形混合器混合排气系统气动热力性能的影响,采用基于Navier-Stokes方程组的三维流场数值仿真方法对某环形混合器混合排气系统在不同进气预旋角工况下的流场进行了分析,并将结果同轴向进气的情况进行了对比.结果表明:内、外涵之间剪切层的厚度以及剪切层的扭曲程度随进气预旋角的增加而增大.在环形混合器混合排气系统出口处,随着进气预旋角的增加,热混合效率小幅升高,其中30°进气预旋角模型热混合效率为轴向进气模型的1.36倍;总压恢复系数和环形混合器混合排气系统推力逐渐降低,较轴向进气模型,30°进气预旋角模型总压恢复系数降低了0.0034,而相对推力下降了0.081.      

凹槽射流对袋型阻尼密封泄漏特性与动力特性影响机理

采用非定常动网格技术建立了袋型阻尼密封泄漏特性和动力特性多频椭圆涡动求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,研究了压比、转速和凹槽位置不同时凹槽射流对袋型阻尼密封泄漏特性与动力特性的影响,分析了袋型阻尼密封轴向与周向的流速和压力分布特性,揭示了凹槽射流对袋型阻尼密封泄漏特性和动力特性的影响机理.研究表明:凹槽射流增强了...     

斜劈缝涡轮导向叶片尾缘出流气体流动特性数值分析

通过RNG k-ε湍流模型求解可压流的N-S方程,研究燃气轮机涡轮导向叶片尾缘劈缝出流冷气的流动情况。对斜劈缝涡轮叶片的尾缘部分建立了二维模型,根据航空发动机工况设置边界条件并进行数值模拟。研究表明,由于外流和叶片叶盆尾缘厚度的影响,叶盆尾缘端部形成局部回流,叶片尾缘劈缝气体流出后受压力梯度的影响先抬起与叶背面分离,在流过一段距离后由于跨音速流膨胀波的作用,冷气流再次附着在叶背尾缘上。文章讨论了涡轮叶片叶盆不同尾缘厚度、倾斜角度、几何造型对尾缘劈缝处流体流动特性的影响,对比了不考虑外流流动影响时尾缘劈缝处流动情况的影响。      

转子叶片表面非定常气动力的构成及叠加分析

数值模拟了一个带有导叶的单级低速压气机中转子叶片表面的非定常气动力.通过研究转子叶片根部、尖部前缘和尾缘局部位置的非定常气动力,阐明了由尾迹和势扰动两种非定常性诱发的气动力在转子叶片表面的叠加特性.结果表明,上游尾迹的影响波及整个转子叶片弦长范围,而下游静子叶片势扰动仅影响转子叶片尾缘附近的脉动压力,改变上、下游叶片的时序位置,当整个转子叶片表面脉动压力的幅值比最大值减小19.4%时,其叶尖前缘脉动压力的幅值仅比最大值减小9.4%.      

预旋对蜂窝密封和迷宫密封内流动传热特性影响

采用数值求解三维雷诺平均纳维尔-斯托克斯(RANS)方程技术,研究了进口预旋对典型航空发动机用光滑面迷宫密封和蜂窝密封的泄漏流动和传热特性的影响规律.计算了-0.3,0,+0.3三种预旋工况下,两种密封的流动特性和温升特性随压比的变化关系.计算结果表明:预旋对密封的泄漏特性和子午面上的流场形态的影响十分微弱;在相同压比条件下,正预旋会导致密封的总温升减小,而负预旋会导致密封总温升增大;蜂窝面的阻尼作用会削弱预旋对密封内温升特性的影响;进口无预旋或施加正预旋时,蜂窝密封的间隙热能比光滑面迷宫密封大,但进口施加负预旋时恰好相反.      

Experimental investigation of aerodynamics of turbine blade trailing edge cooling

This paper presented an experimental investigation the effects of the trailing edge cooling on the aerodynamic performance. The experiments were conducted on the low-speed linear cascade tunnel at Northwestern Polytechnical University. The external aerodynamic characteristics in the 40 percent chord downstream of exit plane were measured using five-hole probe with the different ejection rates. The results showed that the total pressure loss coefficient at the middle spanwise plane increased at first and then it has a decreasing tendency with the increase of ejection ratio. The trailing edge cooling would influence the structure of the turbine cascade outlet flow field. When the ejection rate was 3%,the loss area near the blade endwall would become stronger,but it would become weaker with the 6% ejection ratio. On the whole,the trailing edge cooling had more influence on the profile loss than on the secondary loss.      

带凹坑楔形通道内射流冲击换热特性实验

为了获得发动机进气道支板的热气防冰特性，采用热色液晶全表面瞬态测温技术对带凹坑楔形通道内表面开展冲击换热实验。研究了射流雷诺数，凹坑间距，射流入口到凹坑的距离和凹坑排数对壁面努塞尔数分布和大小的影响。结果表明:带凹坑壁面的平均换热效果要强于光滑壁面，两者的努塞尔数均随雷诺数的增加而增大。壁面的局部努塞尔数在凹坑尾缘出现一个峰值，凹坑间距越小，侧壁的平均换热效果越强。在小雷诺数时，凹坑的位置靠近出口缝，能够较大的增强侧壁的换热；在较大雷诺数时，凹坑位置越靠近前缘，则越能增强前缘的换热效果。当凹坑的排数增加，壁面的平均努塞尔数增大。