应用于燃气轮机余热回收系统的超临界CO2径流式透平性能探究

为研究应用于燃气轮机余热回收系统的超临界CO₂（SCO₂）径流式透平整机性能,基于RANS（雷诺时均）模型,对透平整机系统内部流场进行数值模拟,获得了SCO₂径流式透平整机在起动、升速、自持及额定工况下的运行情况,并针对出口压力变化分析了透平非设计工况下的性能。模拟结果表明：透平起动工况下会发生运行失稳,产生“倒吸”现象且通道内出现大面积的低速区域,但随转速增加流动趋于稳定;叶顶间隙的泄漏流会对透平的性能产生不利影响,额定工况下0.5 mm的间隙使透平减少近47 kW的功率输出,等熵效率降低6%左右;轮背密封可以起到良好密封作用,密封引入气还提高了透平整机的功率和效率;在偏离设计点工况运行时,透平可以有效应对出口压力的变化;通过对比简化通道和全周通道的仿真数据,透平轴功率和等熵效率的误差均在0.5%以内,可知应用简化通道模型仿真能够保证计算精度。因此,在SCO₂径流式透平的仿真与应用过程中,研究人员要注重透平低速起动工况下的运行,以及叶顶间隙对这种小尺寸高转速透平机性能的影响。     

变几何涡轮叶栅叶端小翼的气动性能

针对大子午扩张变几何涡轮在可调静叶转动时旋转轴端严重恶化端区流场的问题,提出在可调静叶的机匣端部应用小翼结构的方法以克服这一问题并减少叶端间隙泄漏流动。应用数值方法和标准k-ω两方程湍流模型,并结合低速风洞试验,首先研究了可调静叶栅小翼端部流场及损失分布,并考虑了可调静叶转动的影响,随后给出了叶端凹槽状小翼结构,并评估了其气动性能以及对间隙变化的敏感性。研究结果表明：在可调静叶栅中应用叶端小翼不但可以避免可调静叶转动时旋转轴端恶化端区流场,还降低了叶端间隙泄漏驱动力,从而使得可调静叶在所有转角下都具有较好的端区流动性能,并且叶端小翼结合凹槽结构可以进一步减少间隙泄漏,总体上可调静叶栅总压损失系数降低了8.9%。     

轮盘结构对向心涡轮内部流动影响的数值研究

采用数值方法对燃气轮机带有冷气封严的向心涡轮开展研究,对比分析了不同轮盘结构向心涡轮总体气动参数差异及内部复杂二次流的动力学机制。研究表明:扇形与深度扇形向心涡轮相比常规结构效率分别下降1.7%,3.5%,冷气量分别降低12.2%,16.3%,冷气量主要由高速旋转盘的"泵吸效应"决定。叶背间隙泄漏流在进入流道处受同向的离心力及科氏力,表现为向叶顶方向运动;盘腔冷气在进入流道处受到的离心力与科氏力相反,且科氏力占主导地位,表现为贴壁运动;在往下游运动过程中两股流体逐渐演变为主要受离心力影响并向叶顶发展。深度扇形向心涡轮冷气与叶背泄漏流掺混后,在流道中部形成大尺度旋涡,是其气动效率显著下降的根本原因。     

向心透平叶片角动量分布的优化

 以n条子午流线,给出满足约束条件的各自角动量分布的若干不同组合构成初始复合形,做复合形每一顶点处该向心透平叶轮S2 流面与跨叶片面势流场分析,并以二元紊流边界层动量厚度计算经三元修正,分析叶轮效率,最终使复合形法成功应用于向心透平叶片角动量分布的优化。该方法也适用于离心叶轮中叶片加载量的优化。     

高负荷轴流式压气机弦向缝隙叶栅气体动力学研究

对高负荷轴流式压气机弦向缝隙叶栅^[1]提出了确定弦向缝隙位置的数学模型,并给出了弦向缝隙叶栅流场计算的方法,作为分析这种叶栅气动性能的基础,风洞吹风试验表明了该模型的正确性及弦向缝隙叶栅对轴流式压气机气动性能的改善。     

叶顶抽吸对叶栅间隙泄漏流动的控制研究

为了控制压气机叶尖间隙泄漏流动,减少叶尖泄漏流和泄漏涡对压气机内部流场带来的不利影响,数值模拟研究了在压气机叶栅叶顶位置沿叶片中弧线开槽抽吸对叶尖泄漏流的控制效果,并与端壁流向开槽抽吸方案进行了对比分析。研究结果表明:叶顶抽吸和端壁抽吸直接通过影响叶尖泄漏流的结构形态,减弱间隙泄漏流强度和影响范围,从而提升压气机/叶栅性能。叶顶中游抽吸方案Slot TB对于泄漏流与泄漏涡的控制效果优于叶顶上游抽吸方案Slot TA;而机匣端壁上游抽吸方案Slot CA相较于中游抽吸方案Slot CB对叶顶流场改善效果更佳。叶顶抽吸和端壁抽吸在抽吸量为0.6%时分别可以使总压损失系数下降约3.3%和7.2%。     

4级空气冷却透平气动性能三维数值研究

对某型燃气轮机带空气冷却的4级透平进行了详细的三维数值研究,并将其结果与一维计算结果进行了对比。重点考虑了如何引入进入4级透平中的各种类型冷气的方法,包括构造叶片和端壁面气膜冷却结构、构造叶片尾缘冷气喷射缝以及在叶片排交界面前后端壁面增加冷气质量源等。计算结果显示：4级透平出口总参数与基于试验数据的一维计算结果吻合较好,说明该方法准确可行;此外,在得到多级空气冷却透平三维流场特性的同时,也可以得到绝热壁条件下的气膜冷却壁面温度场特性。     

脉冲进气条件下可调向心涡轮内部流场数值研究

为评估可调向心涡轮在脉冲进气条件下的性能,通过对脉冲进气条件下的涡轮内部流场进行数值模拟分析,得到了脉冲进口压力对导流叶片段泄漏流量和总压损失、导流叶片尾缘激波强度及转子叶片前缘载荷的影响规律。导流叶片段泄漏流量和总压损失及激波随脉冲进口压力提高而线性增大,进口压力每提高10k Pa,泄漏流量增加约2.9%,导流叶片段的总压损失增加约2.7%,激波增强约14%;转子叶片前缘载荷也随脉冲进口压力增加而线性上升,当脉冲进口压力提高50k Pa时,转子叶片叶根前缘的载荷峰值增加约12.7%,中间叶高前缘位置的载荷峰值增加约24.9%。     

叶根间隙泄漏流对跨声压气机转子性能的影响

为研究压气机转子上游叶根轴向间隙泄漏流对转子性能的影响程度以及泄漏流与转子流场之间的相互作用机制,对带有叶根泄漏流的跨声压气机转子流场进行了数值模拟。计算时分别采用了两种模化途径,即耦合求解转子上游叶根间隙内空腔与转子通道内的流场,以及求解将叶根间隙模化为进口边界的转子流场。结果表明:叶根泄漏流可使叶根附近流动堵塞增大,造成转子气动性能的恶化。另外,叶根泄漏流的周向速度分量越大,泄漏流对转子流场的不利影响也越大。     

刷式密封技术的研究进展

刷式密封技术凭借其优良的封严性能而在航空发动机、燃气轮机和汽轮机中应用。简要回顾了典型刷式密封技术及其发展历程,综述了刷式密封的泄漏特性、摩擦传热特性、力学行为、闭合和迟滞效应以及转子动力特性的研究进展,介绍了MTU箍制刷式密封技术及其在湿蒸汽环境下的试验研究结果,以及目前非金属丝刷式密封技术的研究和应用情况,总结了刷式密封技术流热固耦合特性的研究成果,探讨了刷式密封技术在航空发动机真实运行工况下运行寿命和性能可靠性方面需要深入研究的内容,为刷式密封技术在透平行业中的高效应用提供了技术支撑。     

轴流涡轮损失模型研究进展(“两机”专刊)*

轴流涡轮损失预测模型是开展先进轴流涡轮设计优化、特别是低维快速性能预测的重要工具和基础,更准确通用的损失模型一直是涡轮气动热力学领域研究的重点。近年来,精细化设计理念的深入对损失模型提出更高的精度要求,同时先进实验测量方法和数值模拟技术的发展也为建立更精准的损失模型提供了可能。因此,本文首先梳理了轴流涡轮损失模型的发展历程及近年来的发展趋势,并结合最新研究进展分析目前仍存在的不足,最后对轴流涡轮损失模型的未来研究重点和发展趋势进行展望。     

高压涡轮主动间隙控制系统机匣模型试验

设计和搭建了叶尖主动间隙控制系统的核心——可控热变形机匣模型试验验证台,利用机匣温度和变形量等参数的测量,验证了某主动间隙控制设计方案的基本工作特性.试验中通过改变集气腔进气流量,研究了不同试验工况下机匣温度分布规律,获得了机匣径向变形量及其在周向和轴向的分布规律.研究中发现冷却空气管的多孔冲击射流可以有效改变机匣温度,并达到调节机匣变形的最终目的.随着供气雷诺数增加,机匣的热响应时间减小,机匣的收缩速率明显增加,但该增加幅度随着雷诺数的增加而逐步减弱.试验结果表明:机匣径向冷却收缩量基本均匀.由于冷却空气管周向流量分配不均匀,使其周向上最大相对偏差为8.75%.同时冷却空气管结构和供气量差异会导致机匣轴向温度分布不均匀,在该验工况中,机匣径向冷却收缩量在轴向上最大的相对偏差为6.99%.      

燃气轮机涡轮叶顶间隙气热技术研究进展

涡轮叶顶间隙泄漏流动对其流道内气动损失、传热状况甚至总体效率都有较为明显的影响,是降低涡轮气热性能的关键因素之一。长期以来,叶顶间隙区域的流动传热机理及其气热控制一直是燃气轮机领域研究的一个热点和难点问题。鉴于此,从叶顶间隙泄漏流动机理及影响因素、间隙泄漏控制方法、叶顶传热冷却机理、影响因素与控制、叶顶间隙气热优化以及过渡态叶顶间隙变化规律及建模与控制等方面对国内外近十年来涡轮叶顶间隙气热技术方面的研究进展进行综述,并简要总结了叶顶间隙泄漏流的常用研究方法,包括流动传热试验与数值计算方法等。最后,对涡轮叶顶间隙气热技术的未来研究重点和发展趋势进行了展望。     

2级涡轮内部流动定常与非定常计算差异研究

为获取进而认识涡轮内部流动状态,以某2级约化形式的动力涡轮为研究对象,分别对其进行定常和非定常数值计算和分析.研究表明:定常计算与非定常计算对涡轮内部流动的模拟结果,如叶片表面的压力分布、叶排进出口的气流角、叶片通道中的二次流流向涡、展向涡、叶片通道中的损失等,均存在差异;流动的非定常性越强,定常与非定常计算结果的差异越大,且该差异大小对于静叶与动叶呈相反的展向分布规律.     

1.5级大子午扩张涡轮非定常流动和传热特性分析

大子午扩张涡轮端壁二次流与热负荷之间的关系,对于端壁冷却非常重要。本文采用几何约化法,对某1.5级大子午扩张涡轮进行数值模拟,研究了大子午扩张涡轮上端壁非定常流动和传热特性。计算结果表明：大子午扩张涡轮上通道涡尺度较大且位置发生改变,沿径向向下移动约20%叶高;R1出口泄漏涡、通道涡和尾迹是造成S2流动和传热非定常性的主要因素;传热与二次流密切相关,对传热研究必须与流动相结合。研究结果将有助于提高对大子午扩张涡轮端壁非定常流动和传热特性的认识。     

动叶顶部蜂窝面迷宫密封对涡轮级气动性能的影响

采用计算流体动力学软件数值研究了某1.5级轴流涡轮转子叶尖蜂窝面迷宫密封泄漏流动对主流流场的影响,分析了不同的顶部间隙下叶尖密封泄漏流对主流流场的影响以及泄漏流与主流的掺混对下游静叶流场的影响,并对带与不带蜂窝面的迷宫密封对涡轮级气动性能的影响进行了比较.研究结果表明:泄漏流与主流在动叶下游掺混后导致掺混区域流体速度发生偏转,以负攻角进入下游静叶,带来攻角损失.泄漏流体带有较高的径向速度,在静叶栅通道中会向中间叶展处发展,使得静叶栅上半通道的流场结构发生改变,带来额外的二次流损失.并且随着叶顶间隙的增大,损失也随之增大.蜂窝的特殊六边形结构极大地降低了密封腔中流体的周向速度,减小了泄漏流重新进入主流时与主流的速度差异,从而减小了掺混损失.并且蜂窝结构能改变迷宫腔内气体的流动形态,采用蜂窝面的迷宫密封能有效地降低泄漏.      

1+1/2对转涡轮非定常流动数值模拟

为了掌握对转涡轮内部的复杂流动以改进航空燃气轮机的设计,利用数值模拟手段对所设计的1+1/2对转涡轮内部非定常流动进行了研究,将定常和非定常结果进行了详细的对比分析,结果表明:非定常结果与定常结果相比出功比减小,总效率约减小0.44%,流量基本不变,其中尾迹、激波、位势作用以及泄漏流等因素之间的相互作用是影响非定常特性的主要因素.      

叶尖间隙泄漏对厘米级高亚声微型轴流涡轮性能的影响

针对某微型涡轮发动机(MTE)原理样机的直径为78.4mm的微型轴流涡轮,采用数值模拟手段研究了叶尖间隙泄漏对该厘米级高亚声微型轴流涡轮流场结构及涡轮性能的影响.结果表明:微型轴流涡轮相对叶尖间隙尺寸在3.1%~4.6%,明显高于常规轴流涡轮;微型轴流涡轮叶尖间隙泄漏涡影响范围较常规轴流涡轮扩大(至叶中高度),泄漏损失占涡轮级总损失的35%,也较常规轴流涡轮明显增大.研究获得了间隙尺寸对该厘米级高亚声微型轴流涡轮性能的影响规律,叶尖相对间隙尺寸每增加1%叶高,效率最快下降1.9%,其变化幅度较常规轴流涡轮更为明显.最后,根据工程安装的限制(离心力变形及热变形、轴承游隙、加工装配误差等),确定了一个较优的叶尖间隙(0.4mm),通过数值模拟获得了在该间隙下的涡轮性能参数:落压比为2.12,效率为0.87,流量为0.35kg/s.      

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%。     

An experimental method for squealer tip flow field considering relative casing motion

Squealer tip is widely used in turbines to reduce tip leakage loss. In typical turbine environment, the squealer tip leakage flow is affected by multiple factors such as the relative casing motion and the wide range of variable incidence angles. The development of experimental methods which can accurately model the real turbine environment and influencing factors is of great significance to study the squealer tip leakage flow mechanism. In the present paper, a low-speed turbine cascade test facility which can model the relative casing motion and wide range of variable incidence angles (−25° to 55°) is built. Based on the similarity criteria, a high-low speed similarity transformation method of the turbine cascade is established by considering the thickness of the turbine blade. A combined testing method of Particle Image Velocimetry (PIV) and local pressure measurement is proposed to obtain the complex flow structures within the tip cavity. The results show that the experimental method can successfully model the relative casing motion and the wide range of variable incidence angles. The low-speed cascade obtained by the similarity transformation can model the high-speed flow accurately. The measurement technique developed can obtain the complex flow field and successfully capture the scraping vortex within the squealer tip.