涡轮导向器几何与气动参数对通道涡影响的实验与数值研究

通过风洞实验和数值计算,对某型涡扇发动机原型和改型涡轮低压导向器进行了详细的流场测量与数值模拟,以考察在具有大扩张角前置机匣的涡轮导向器流道中,多种几何与气动参数变化对通道涡形成和发展的影响,特别是叶片弯曲对通道涡位置及强度的影响。结果表明:由于导向器进口前的机匣段上端壁子午扩张引起流动分离,并在叶栅进口形成远大于普通叶栅实验的大厚度进口边界层,弯叶片对通道涡位置的影响与其它进口条件下的实验结果有所不同,表现为叶片正弯引起上通道涡核心位置上移,进口分离、大厚度进口边界层以及叶片正弯引起的叶片表面静压变化是造成这一现象的根本原因。     

大子午扩张涡轮叶片正交设计及性能分析

在大子午扩张涡轮中,流道的子午扩张会造成较强的端部二次流动,从而产生较大的端区损失。为重组大子午扩张端区流动以减小端区损失,对燃气轮机动力涡轮第一级静叶进行正交设计优化,并对重新设计的正交叶片和原型叶片进行数值模拟计算及对比分析。研究结果表明,采用正交叶片作为大子午扩张静叶的涡轮级效率有明显提高,正交涡轮使得上下端壁的流动趋于平缓,并使得上端壁的通道涡减小,上端壁的流动沿"C"型压力场向叶片的中部移动,减少了端区的流动损失。在叶中和叶根部分流动损失也得到了减小。同时径向静压梯度明显减小,改善了附面层径向的串动,第一级涡轮的效率提升了0.74%,主要提升位置在80%到90%相对叶高处,功率提高了0.69%。     

子午修型对1.5级大子午扩张涡轮端区流动传热性能影响研究

大子午扩张涡轮由于子午型线扩张度较大,因而易导致端区边界层分离及热集中,针对这个现象,采用数值模拟方法,并采用正弦曲线对某型1.5级大子午扩张涡轮子午型线采取了8种修型方案,研究子午修型对于端区流动传热性能的影响。计算结果表明,子午修型可以有效地控制端区的分离流动,从而影响着通道涡与脱落涡强度及位置,也影响着端壁及叶片上热负荷分布。在本文研究条件下,振幅为三分之一叶片最大厚度的前凹后凸子午型线有效地减弱了脱落涡引起的损失,进而使整体总压损失减小6.06%,并可以减弱端壁及叶片传热集中,使叶片最大热负荷减轻21%。     

大子午扩张涡轮端区的流动传热及端区正弯效果的数值研究

为了研究大子午扩张涡轮端区流动和传热特性,并研究叶片端区正弯技术在大子午扩张涡轮中的气动和传热效果,对某大子午扩张涡轮静叶进行数值模拟。运用SST湍流模型精确捕捉流动结构,并进行了气动和传热预测的有效性实验验证。通过分析结果,对大子午扩张涡轮端区流动和传热特性以及两者相互影响关系进行了深入研究,分析了端区正弯技术在重组大子午扩张涡轮端区流动以及合理分布热负荷的应用效果。结果表明:大子午扩张端壁导致涡轮端壁附面层的强烈分离,通道涡分离点提前约15%,高传热区受马蹄涡和通道涡的强烈影响;端区正弯有效地改善了大子午扩张静叶端壁的附面层分离,减小前缘的热负荷25%,提高涡轮的气热性能。     

大子午扩张涡轮端区的流动传热及端区正弯效果的数值研究

为了研究大子午扩张涡轮端区流动和传热特性，并研究叶片端区正弯技术在大子午扩张涡轮中的气动和传热效果，对某大子午扩张涡轮静叶进行数值模拟。运用SST湍流模型精确捕捉流动结构，并进行了气动和传热预测的有效性实验验证。通过分析结果，对大子午扩张涡轮端区流动和传热特性以及两者相互影响关系进行了深入研究，分析了端区正弯技术在重组大子午扩张涡轮端区流动以及合理分布热负荷的应用效果。结果表明：大子午扩张端壁导致涡轮端壁附面层的强烈分离，通道涡分离点提前约15%，高传热区受马蹄涡和通道涡的强烈影响；端区正弯有效地改善了大子午扩张静叶端壁的附面层分离，减小前缘的热负荷25%，提高涡轮的气热性能。     

基于端壁造型优化的高压涡轮导向器流场分析

为进一步提升非轴对称端壁造型技术在改善高压涡轮导向器叶栅通道内流场结构的能力,借助数值优化手段对一高压涡轮导向器上、下端壁进行了基于Bezier曲线的非轴对称端壁曲面造型优化,为揭示非轴对称端壁在改善高压涡轮导向器流场方面的流动机理,借助三维空间流线对比分析了优化前后导向器通道内端区的流场结构。优化结果表明:非轴对称端壁有效地降低了导向器出口的流动损失,总压损失降低了9.93%,而出口流量最大增幅不到0.13%,同时,出口气流角分布也更加均匀;流场分析表明:高压涡轮导向器中的通道涡主要是由端壁附面层内的低能流体组成,其强度主要是由端壁附面层横向迁移强度及马蹄涡压力面分支强度所决定;优化后得到的非轴对称端壁通过改变端区局部静压场分布,实现了对端壁附面层迁移的控制,从而达到改善端区流场结构、降低流动损失的目的。     

基于压力场分布的大子午扩张涡轮非轴对称端壁造型方法

为提高大子午扩张涡轮端区气动及传热性能,基于大子午扩张涡轮上端壁静压场分布细节,使用Bezier曲线与正弦三角函数曲线相结合的非轴对称端壁造型技术,对某1.5级大子午扩张涡轮第2级静叶上端壁进行8种非对称造型设计,并通过SST（shear stress transfer）湍流模型数值求解RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations）方程组对造型前后端壁进行了流动与传热特性的研究。结果表明：对大子午扩张涡轮上端壁进行非轴对称造型设计可有效改善其上端区叶片通道内横向压差分布情况;对其上端壁压力面进行通道内凸起造型可降低出口总压损失,当凸起幅值为S2叶高的5%时,出口总压损失最多可降低约1.1%;对其上端壁吸、压力面均进行通道内凹陷造型将减小机匣与叶片的热负荷,当凹陷幅值为S2叶高的5%时,机匣及叶片的热负荷最多可分别降低约3.1%与2.8%。     

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。     

高压涡轮导向器非轴对称端壁设计

为进一步降低高性能涡轮端壁二次损失,根据其内端壁二次流形成和发展机理,提出一种基于多段三角函数的非轴对称端壁正交造型方法。根据此造型方法,通过优化的方式对高压涡轮导向器进行了三维端壁设计,并对此具有工程约束的寻优设计结果进行了全三维N-S方程数值模拟,分析和讨论了采用的非轴对称端壁造型方法对二次流损失的影响。结果表明:采用多段三角函数的非轴对称端壁正交造型方法,能有效控制马蹄涡压力侧分支的流动和通道涡的形成,并能有效降低高压涡轮导向器的端壁二次流损失。     

涡轮叶栅端壁二次流动与换热的V2F模拟

针对低展弦比涡轮叶栅端壁区亚声速流动及换热,采用基于线性涡黏假设的V2F模型开展了数值模拟.结果表明：涡轮叶栅流动中存在马蹄涡、通道涡、压力侧角涡、吸力侧角涡等多种复杂涡系结构,其中马蹄涡与通道涡是涡轮叶栅二次损失的主要来源.端壁换热与马蹄涡及通道涡强度及位置直接相关,并呈现明显的分区特征.端壁极限流线结果显示,V2F模型模拟的端壁单马蹄涡分离线与实验结果吻合,优于SST （shear stress transport）k-ω模型模拟的端壁双马蹄涡分离线.V2F模型引入了新的湍流尺度,在马蹄涡及通道涡位置、端壁静压损失系数分布、叶栅出口总压损失分布及端壁Standon数分布等方面均与实验结果吻合较好,对叶栅气动损失及端壁换热有良好的预测能力.     

子午扩张流道中叶片积叠线形式对损失的影响

采用全三维粘性流N－S方程程序，对具有大扩张角中间机匣的某型涡轮 低压导向器叶栅中的流场进行了数值模拟。在子午面型线不变的条件下，导向器叶栅采用了10种不同变曲和倾斜形式的叶片。计算结果表明：导向器叶栅采用不同积叠线形式的叶片，对导向器叶栅出口截面上通道涡的位置，强度和尺度以及能量损失的影响是显著的，采用适度的正弯或正倾斜叶片可降低导向器叶栅的能量损失。     

叶型结冰计算及流场分析

叶型结冰会改变叶型原有的气动外形,影响气动特性。采用 FENSAP-ICE软件对 NACA0012翼型的 结冰进行数值计算,并与试验结果进行对比验证;对压气机进口导叶叶型进行二维结冰计算,并对数值计算结 果进行流场分析。结果表明:明冰对叶型的气动性能影响大于毛冰,叶型气动特性的衰退主要受分离区中上分 离涡的影响,叶型前缘上翘的明冰引起叶型尾部分离区域面积增大,强烈的分离涡导致结冰后叶型压力损失 增大。     

1+1/2对转涡轮可调高压导叶流场及损失的数值研究

调节高压导叶开度可以有效控制1+1/2对转涡轮流量,同时导叶的调节也伴随着一些附加损失的产生,为了使采用可调导叶获得的效益不被涡轮效率的下降抵消过多,有必要对可调导叶的流场及间隙流动进行详细的分析。通过数值研究表明,当采用可调导叶端部加入间隙后,在上下两端壁附近会出现高损失区。间隙泄漏流除了进口端壁的来流之外,还有一部分来自于叶片压力面的附面层,使得压力面出现明显的展向二次流。泄漏流的流量越大越容易形成泄漏涡,压力面和吸力面之间的压差是泄漏涡形成的主要动力。     

轴流离心组合压气机性能及流场分析

以某轴流、离心组合式压气机为研究对象,采用数值模拟方法研究了不同转速典型工作状态下该压气机的性能和流场细微结构,为进一步提高压气机的压比、效率,扩大压气机的稳定工作裕度,对压气机进口导流叶片和第一级静子叶片安装角进行优化调节,对改进后压气机的典型工况进行了数值模拟,并进行了相应的试验研究。研究结果表明优化后压气机稳定工作范围增大,在90%设计转速和最大压比不变的情况下,最高效率提升1.05%,典型工况下流场结构也有不同程度的改善。     

燃烧室涡轮交互作用尺度自适应模拟

为了揭示燃烧室涡轮交互作用机理,采用尺度自适应模拟方法对某航空发动机燃烧室和燃气涡轮开展了跨部件联合数值模拟研究,分析了燃气涡轮导叶对燃烧室内部流场和温度场的影响、燃烧室出口速度分布和热斑对涡轮气动和传热的影响。结果表明:尺度自适应模拟方法在预测燃烧室和燃气涡轮部件性能方面具有较高精度,并能有效捕捉燃烧室及涡轮流道中的复杂涡系结构。同时,涡轮对燃烧室内部速度场的影响一直可以回溯至导叶上游0.3倍弦长的距离,燃烧室出口速度分布对涡轮内部流动、热斑对燃气涡轮导叶及动叶绝热壁温均有较大影响。      

进口旋流周向位置对高压涡轮进口导叶气动特性的影响

为了揭示旋流周向位置对下游进口导叶(IGV)气动特性的影响机理,采用数值模拟方法计算并分析了进口旋流在多个不同周向位置处时旋流与通道内二次流的相互作用原理,进而重点分析了3个典型位置算例中的二次流动、涡系结构和熵增情况。研究表明:进口旋流与通道内固有二次流动之间的相互作用及黏性耗散是旋流所造成损失的主要原因;通道损失最大的工况不在旋流正对叶片头部时出现,而是在旋流靠近叶片头部近压力面一侧时产生;此外,旋流与通道涡相互作用,在进口旋流达到一定强度时会在叶片尾缘附近形成诱导涡。      

高压离心压气机导叶流场的附面层抽吸控制研究

通过数值模拟研究了某小型涡扇发动机离心压气机的出口导叶流场特点,结合拓扑分析方法讨论了附面层抽吸对叶栅性能的影响。结果表明:原型叶栅由于展弦比较小,流动空间狭窄,各种形式的附面层分离相互掺混,恶化了整个叶栅的流动。通过附面层抽吸可以改变叶栅内的分离结构,明显减小吸力面的分离,使得流场结构趋于简单,从而减小损失、提高叶栅效率。     

涡轮高压导叶流场结构及损失分析

采用具有TVD性质有三阶精度Godumov格式，数值模拟了某型涡轮高压导叶流场，并对流场损失及涡系结构进行分析，结果表明由于强烈的径向流，使低能流体大量地迁移到下端壁，使得下端部的损失显著增大，从而引起了总损失的增加。因此在高压导叶设计中，当采用低展弦比叶片时，应注意削弱叶片出口附近流场的严重径向窜流。