具有叶尖小翼的涡轮叶栅间隙流动的实验研究

涡轮动叶叶顶间隙流动是引起动叶内部流动损失的重要因素之一,大约30%的流动损失是由间隙流动引起的。对高负荷涡轮叶栅在间隙高度1%叶高、0°冲角的条件下,加装不同宽度和安装位置的叶尖小翼进行了实验研究,结果表明,压力面小翼在一定程度上削弱了泄漏涡强度,0.3倍叶片当地厚度的压力面小翼效果最佳。吸力面小翼可使泄漏涡运动轨迹向相邻叶片的压力面侧偏移、泄漏涡强度减弱,间隙泄漏损失降低。随着吸力面叶尖小翼宽度的不断增加,叶尖小翼对泄漏流动的控制作用也不断增强,当宽度在1.2倍叶片当地厚度时,对泄漏流动控制效果最好,可使叶栅测量截面总损失与不加小翼的叶栅相比降低28%。组合小翼不如单纯的吸力面小翼效果好。     

燃气轮机涡轮动叶顶部气动与传热特性的数值研究

应用SSTκ-ω湍流模型并结合SIMPLEC算法,对燃气轮机涡轮动叶叶顶间隙及通道冷却流场进行数值模拟。通过在叶顶靠近吸力面侧、压力面侧以及中弧线位置处设置冷却孔排,研究不同孔排布置对叶顶气动性能及气膜冷却效果的影响。结果表明:冷却喷气有效削弱了叶顶间隙泄漏损失,降低了泄漏涡对叶栅出口截面气动损失的影响;在肩壁的作用下泄漏流形成了分离涡,涡流的移动强化了叶顶的传热和冷却效果,增强了壁面与泄漏流之间的对流换热,同时在靠近上端壁和沿着流道轴向方向形成均匀的压力梯度;叶顶孔排有效地组织了二次流并减小了叶顶表面的温度梯度和叶栅通道下游的气动损失,但对整个叶栅通道气动性能的改变影响较小。     

轴流压气机转子叶尖二次涡的试验验证及形成机理

对轴流压气机转子机匣壁面静压进行动态测量,采用小波分析方法处理近失速工况动态压力测量信号,功率谱显示在与二次涡相近的频率上存在较高的能量带,能量峰值沿轴向的衰减与二次涡的变化规律相符,表明二次涡在流场中存在是可能的。针对相同转子进行全通道非定常数值模拟,计算结果表明,近失速工况下,转子圆周每个通道叶顶附近均存在规律一致的二次涡运动。叶片中后段间隙泄漏流与间隙泄漏涡破碎产生的低能流体相互作用,在泄漏涡破碎形成的堵塞区域中形成二次涡。二次涡运动使得近叶顶载荷分布发生变化,从而导致近叶顶流场出现了一种周期性的自维持的非定常流动现象。     

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。     

开口双肋凹槽式涡轮叶顶间隙流动数值研究

为研究改进的双肋凹槽叶顶结构对大折转角动叶间隙泄漏流动的影响,利用数值模拟的手段,对五种不同叶顶结构在低马赫数为0.3条件下的泄漏损失以及流动特性进行详细的研究分析。数值计算与实验测量结果进行对比校核以保证数值计算的可靠性。研究结果表明,改进的前尾缘开口的凹槽式叶顶结构使得叶栅总压损失降低7.4%,与前缘不开口的方案相比,间隙泄漏损失变化率降低23%,这对涡轮长期运行维持高效的性能有利。改进的叶顶结构对间隙内的流量分布影响明显,压力侧的泄漏流量减少26.7%,而吸力侧增加13.3%。前缘开口形式结构使得压力侧泄漏的驱动压差降低50%,并改变吸力侧泄漏流的流量系数,同样出口气流角展向分布和叶栅流道中的泄漏涡和通道涡均受到明显影响。     

涡轮间隙泄漏涡破碎对损失的影响

采用数值方法联合标准k-ω两方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,研究了不同间隙高度下GE-E³（Energy Efficient Engine）涡轮第一级动叶顶部间隙泄漏涡（TLV）的破碎特性及其对泄漏损失的影响。首先描述了泄漏涡的破碎现象,并对其动力学特性进行了理论分析,接着研究了间隙高度对泄漏涡结构及破碎特性的影响,最后对泄漏涡破碎与损失的关系进行了探讨。研究结果表明：涡轮叶顶间隙泄漏涡具有不稳定特性,当泄漏涡具有足够的强度可以克服通道涡卷吸形成完整涡结构时,在叶片后半部分逆压区发生了涡破碎现象,带来了额外的涡破碎损失;间隙高度对泄漏涡破碎位置的影响比较明显,在大间隙下泄漏涡趋于相对稳定;叶顶泄漏流产生的掺混损失以泄漏涡的破碎为标志分为两个阶段,大量的掺混损失发生在泄漏涡破碎之后,这也是叶顶泄漏流产生损失的主要部分。     

压力面小翼对涡轮叶栅不同间隙下流场影响的实验

对某涡轮叶栅加装不同宽度的压力面小翼对叶栅间隙流场的影响进行了实验研究,详细测量了间隙高度为0.5%h,1%h,1.5%h时叶栅出口流场和叶片表面静压分布情况.通过实验结果分析得出:随着间隙高度的增加,间隙泄漏流动加剧,泄漏涡增强,叶栅总损失增加,同时使上通道涡的强度减弱;压力面小翼在间隙高度为0.5%h时对间隙泄漏流动的控制效果较好,宽度为0.4倍当地叶片厚度的压力面小翼能使叶栅总损失降低18%.间隙高度为1%h时,0.3倍当地叶片厚度的压力面小翼效果最佳,使叶栅总损失降低10.37%.间隙高度为1.5%h时,压力面小翼对间隙泄漏流动基本没有影响,但在一定程度上降低了叶栅总损失.      

机匣相对转动对涡轮叶顶间隙流动的影响

机匣与叶片的相对转动是影响涡轮叶顶间隙流动的重要因素之一。对LISA 1.5级轴流涡轮内三维流动的数值计算结果表明:当叶片静止时,叶片顶部压力面静压增加,叶片顶部载荷增大。通过间隙的流量增加,同时吸力面侧在叶片前缘、叶片中部各形成一个间隙涡。叶片前缘间隙涡会迅速耗散,同时使得叶片中部形成的间隙涡维持在吸力边附近,上通道涡被排挤到间隙涡下方,导致动叶出口截面上、下通道涡形成的高损失区合并,影响范围增大。     

叶尖泄漏与压气机叶栅三维角区分离相互作用实验研究

为了进一步揭示叶顶泄漏与压气机叶栅三维角区分离流动的相互作用机制,采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面气动参数,并对机匣端壁静压进行了测量,详细分析了不同间隙尺寸及来流角度时压气机叶栅间隙流对角区三维分离流动的影响机理.研究结果表明,适当大小叶顶间隙引入的泄漏流阻止了端壁二次流动与叶片吸力面附面层之间的相互作用,移除了三维角区分离,改善了叶栅性能.随着叶顶间隙尺寸及叶栅内气流折转程度的增加,叶顶泄漏涡与上通道涡间的相互作用程度逐渐增强.     

压力面小翼对涡轮叶栅不同冲角下流场影响的实验研究

为了控制和降低涡轮动叶由叶顶间隙所引起的泄漏损失,对加装不同宽度压力面小翼的涡轮叶栅间隙流场进行了实验研究,详细测量了±10°,±5°,0°冲角时涡轮叶栅出口流场和叶片表面静压分布情况。结果表明:随来流冲角由负到正,泄漏涡强度减弱,泄漏损失降低;通道涡强度增强,其引起的损失增大。压力面小翼在不同冲角下均对叶顶泄漏流动具有一定的控制作用,在设计冲角和较小的正冲角工况下PW0.3方案压力面小翼作用效果较好,分别使叶栅总损失降低10.38%和8.11%。在冲角变化范围更大时,PW0.4方案压力面小翼效果更好。     

压气机转子通道内尖区三维平均流场

在低速大尺寸压气机试验台上,借助旋转四坐标全电动探针位移机构,用锥形五孔压力探针分别测量压气机设计状态和近失速状态转子通道内尖区的三维平均流场,揭示压气机转子通道内尖部的流动结构及其变化     

跨声速风扇转子间隙流动结构分析

为探索跨声速转子间隙流动结构,归纳间隙泄漏涡（TLV）和激波相互作用机理,以跨声速转子为研究对象,数值模拟不同间隙下流动特性.此外,着重探究TLV与激波的相互作用,斜激波受到间隙泄漏流的干扰,被削弱打断向上游凹曲;建立三维模型,加深对跨声速叶尖区域流动的全面认识.研究表明:随间隙增大,相同流量下,效率越小,压比也越小;TLV强度更大,偏离吸力面程度增大,沿周向和展向影响范围都越大.压力差提供泄漏流迁移动力,间隙提供泄漏流形成通道.选取h/c=1.0%间隙,随着间隙高度的增大,泄漏流周向运动趋势更明显且二次泄漏现象更剧烈;沿泄漏流方向无量纲流向涡量有少量减少,无量纲螺旋度较高,集中涡特性明显.      

不同转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳的机理

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 67为研究对象,采用数值模拟方法,开展100%、80%及60%转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳触发机制的机理研究。数值结果与实验数据的对比分析表明:在3个转速下,数值总性能曲线的变化趋势与实验数据符合一致。通过压气机内部流场的详细分析,得出其基本流动机理。在3个转速下,随着压气机节流,叶顶泄漏涡(TLV)的起始位置逐渐向叶片前缘移动,叶顶泄漏涡也逐渐向相邻叶片压力面偏转,相比近峰值效率点,近失速点时在100%、80%以及60%转速下叶顶泄漏涡的偏转角度分别为3°、6°和9°。在100%和80%转速下,叶顶泄漏涡与激波相互作用所导致的堵塞是触发压气机内部流动失稳的机制,并且在80%转速下,叶顶泄漏涡发生破碎;而在60%转速下,泄漏涡在相邻叶片出现的叶顶前缘溢流(LESF)是触发压气机内部流动失稳的主要机制,叶片吸力面尾缘出现的小尺度附面层气流分离(BLFS)不是主要机制。      

轮毂处理对单级压气机性能的影响

在单级轴流压气机的静子内径处进行轮毂处理,以模拟转子尖部的机匣处理。用小型五孔探针详细测量了最佳工作状态和近失速边界状态下转子与静子叶片排下游气流的三元流场,特别是其端部流场。结果发现,对于转子叶尖失速型的级,静子轮毂处理不仅可以提高级的稳定裕度,而且也提高了转子的稳定裕度。      

离心压气机叶顶泄漏涡轨迹数值模拟及失速预测

以级压比为4.1的Krain叶轮为研究对象,数值研究流量、转速和叶顶间隙对叶顶泄漏涡(TLV)轨迹和主流/叶顶泄漏流交界面(ITLMF)位置的影响。数值结果表明:流量减小、转速升高和叶顶间隙减小,使叶顶泄漏涡轨迹远离吸力面、主流/叶顶泄漏流交界面向上游移动。将主流与叶顶泄漏流的相互作用简化为一股自由来流与一股逆向壁面射流的相互作用,并对叶顶泄漏流速度进行模化。利用主流/叶顶泄漏流动量平衡原则确定交界面位置,采用Zhao模型预测叶顶泄漏涡轨迹,并建立叶顶泄漏流的有效起始位置与叶顶间隙的关系,从而建立亚声速离心压气机失速预测模型。结果表明,模型预测值与CFD预测值符合较好,方均根误差低于2.42%。      

射流状态转换过程中转子流场的动态分析

为了探索周期性射流的射流状态转换过程中转子流场的动态响应特征,采用非定常数值方法对转子流场进行了模拟,并对叶尖泄漏涡的运动规律和转子负荷分布的动态变化进行了分析.结果表明,转子流场的响应主要表现在两个时间尺度:①与叶尖泄漏涡振荡周期相当的小尺度;②与转子负荷径向分布变化相关的大尺度.      

风车状态下转子性能及通道内流动分析

为探究低展弦比压气机转子在风车状态下由压气机模式向涡轮模式转化过程中性能、内部流场结构以及气动损失的演化过程,提出了一种基于叶片和流体间能量传递的简化数值计算方法,以获得某转速下的风车状态临界流量点。在数值模拟的基础上,重点对比了同一转速线上压气机工况点(小流量工况)、风车临界点和涡轮工况点下叶尖泄漏损失的演化机制,同时探究了叶片通道内流动分离的演化过程。 结果显示,随着转速的增加,转子风车状态临界流量呈现近似线性的变化趋势。而同转速下随流量增大,叶尖泄漏流从吸力面流向压力面,并与压力面上的低能量流体进行掺混,造成了流动堵塞。同时,从压气机模式转向涡轮模式的过程中,叶尖区域的流动分离从吸力面分离转变为压力面分离,随后分离强度和尺寸逐渐增大,造成的气动损失显著增加;而在轮毂区域,流动分离始终保持吸力面分离,其分离尺度沿径向有所发展。     

真实运行状态下叶顶间隙尺寸波动对跨声速转子气动性能的影响研究

为分析跨声速转子实时波动的叶顶间隙尺寸对气动性能的影响,对跨声速压气机转子真实运行状态下一个稳定工况实时波动的叶顶间隙数据进行统计分析,获得了叶顶间隙尺寸的总体水平、波动幅值和概率分布形式。以跨声速压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用非嵌入式混沌多项式不确定性量化方法,对100%转速下近失速和峰值效率两个工况施加相同叶顶间隙波动对跨声速转子气动性能的影响进行了不确定性量化分析。结果表明,真实运行状态下叶顶间隙波动对气动性能的总体水平无影响,但会缩小喘振裕度3.75%;近失速工况对叶顶间隙波动更为敏感,各参数的相对波动幅值均较峰值效率工况有所增大,等熵效率受叶顶间隙波动的影响比质量流量和总压比大;近失速工况下叶顶间隙波动在叶高方向上的影响范围和强度均大于峰值效率工况,98%叶高位置处静压系数和总压损失系数最大相对波动幅值分别可达14.84%和5%。峰值效率工况下流场中的不确定性主要由叶顶泄漏流及其与激波相互作用引起;而近失速工况下流场当中的不确定性则是由激波和吸力面分离流动起主要作用。     

对转压气机外伸激波对叶顶泄漏流影响

摘要:为了揭示对转压气机下游转子外伸激波对上游转子泄漏流的影响规律,针对上游转子叶顶间隙分别为0.2、0.5、0.8 mm的对转压气机开展了非定常数值模拟研究。研究发现:受下游转子外伸激波掠扫影响,上游转子尾缘附近压力面会形成弱压缩波,且随上游转子泄漏流增强而逐渐减弱;而该外伸激波在上游转子尾缘附近吸力面,会形成与型线切向相垂直的较强压缩波,且其位置基本不受叶顶间隙大小影响;外伸激波使上游转子尾缘附近吸、压力面压差增大,叶顶泄漏流增强,进而导致其损失增大;随着叶顶间隙增大,上游转子叶尖区弦长前半段压力波动的频率,由通道激波转为叶顶泄漏流主导,且呈现减小的趋势,而弦长后半段压力波动的频率主要由外伸激波主导,且基本不变。