透平静叶型叶片反弯曲作用的实验研究

在平面透平叶栅风洞中,测量了一种典型透平静叶型直叶片叶栅和叶片弯曲角分别为-10°、-20°的反弯曲叶片叶栅的出口流场和叶片表面静压.定量地分析了叶片反弯曲对叶栅出口二次流、总压损失和气流角的影响,并探讨了叶片反弯曲作用的机理.结果表明:叶片反弯曲在叶片表面特别是吸力面建立了反"C"形压力分布,它是引起叶栅性能和流场变化的主要原因,但叶片反弯曲不能改善叶栅的气动性能.      

压气机叶栅中的二次流动

二次流动对压气机叶片排出口气流角和损失影响大,压气机性能的进一步改善,将取决于对二次流动的妥善处理。本文介绍热线风速仪测量叶栅出口速度和气流角沿叶高的变化,配合流动显示,研究叶栅二次流动的物理图画。实验结果表明,叶栅出口截面附近,由于二次流的作用,端壁附面层是三维的,沿叶高速度分布有某些特点,与二维紊流速度分布大不相同。本文结果与Johnston[2]三角形模型差得远,而与文献[3]基本相同。     

液体火箭发动机高效率反力式涡轮的设计

为提高比冲,闭环系统的液体火箭发动机的涡轮泵多采用反力度不大的反力式涡轮,这种火箭反力式涡轮不同于航空涡轮,其以极低的压比、极高的负荷和低展弦比为特征,在给定的叶栅大气流转折角、低展弦比、低反力度和相对大的径向间隙条件下,采用了沿叶高正攻角设计和沿叶高变功率损失设计,用以加大叶栅通道的几何收敛性,减少二次流和叶顶间隙损失,从而获得相对高的涡轮效率.      

跨音涡轮转子叶尖间隙内流动分析与建模

为明确跨音涡轮叶尖泄漏流动机理，进一步提升涡轮效率，对跨音条件下叶顶喷气对平叶尖及凹槽叶尖性能的影响进行研究，并探讨跨音条件下平叶尖及凹槽叶尖间隙内部的流动状态。结果表明：跨音条件下，叶顶喷气可以增加平叶尖叶栅的气动效率，而刮削涡仍是凹槽内的主控流动结构；喷气流量的增加对平叶尖的总泄漏流量影响有限，但会增加凹槽叶尖的总泄漏流量。在更高负荷情况下，平叶尖间隙内呈跨音速流动特征，具体状态与叶片负荷、叶片厚度有关；凹槽叶尖条件下，泄漏流动在吸力侧肋条上方快速膨胀至超声速状态。基于此，建立可用于跨音条件下的泄漏流量预测模型。     

低雷诺数下翼型前缘流动分离机制的研究

采用高精度有限差分格式,对来流雷诺数为1.0×104,攻角为3°的二维翼型流动进行了直接数值模拟,研究了低雷诺数下翼型前缘流动的分离机制,描述了分离涡系的相互作用规律.计算结果表明:前缘椭圆弧靠近叶身位置存在吸力峰,流动在吸力峰内强逆压梯度的作用下发生分离;翼型上表面形成了包含驻留涡、脱落涡和二次涡的涡系结构,其尺度随时间不断变化,具有强烈的非定常性;表面压力分布曲线可以较好的描述翼型边界层流动.      

高负荷跨音压气机转子的间隙效应

利用高频响动态压力传感器对一个具有2.2级压比的跨音压气机级(ATS-2)进行了转子叶尖间隙流场测试研究,获得了多个转速不同节流状态下的转子叶尖内壁面静压场.结果表明,100%转速时,除前缘贴体斜激波外,叶片通道内存在一道二次正激波,并在吸力面附近出现了一道较短的正激波.该波系随出口节流加深而向上游移动,并最终归并为前缘正激波,此时,级性能达到峰值效率.另外,比较了不同叶尖间隙机匣的总性能,结果表明,机匣结构和间隙的变化严重影响压气机级性能参数.     

粗糙度对涡轮叶片流动转捩及传热特性的影响

为研究表面粗糙度对涡轮叶片流动转捩以及传热特性的影响,在自行开发的CFD程序平台上提出了对γ-Re_θ转捩模型的粗糙度修正方法,并参考平板绕流和涡轮叶栅的实验数据对该方法进行验证。考虑粗糙度效应的影响,对Mark Ⅱ涡轮导叶5411工况进行数值模拟,得到如下结论:表面粗糙度对层流边界层换热系数影响不大,而对湍流边界层则有较大影响,进而显著改变壁面温度分布;与光滑壁面相比,5μm的等效沙粒粗糙度使吸力面湍流区域壁面温度升高约5.7K,100μm粗糙度使壁面温度升高28.4 K,增幅达5%左右;当壁面粗糙度较低时,激波干涉对吸力面边界层的转捩起主导作用,而当粗糙度大于某临界值时,其作用会使转捩位置突然变化,本算例中该临界值近似为150μm。      

压气机间隙流与处理机匣作用的三维数值分析

利用Numeca CFD对某一压气机静子叶栅的间隙流动进行流场计算,并将其与具有圆弧斜槽处理结构的间隙及流场计算结果进行对比、分析.详细揭示了叶栅顶部间隙区及处理槽内的流动特征.结果表明,通过采用机匣处理,改变了压气机气流流路,形成叶尖漏流的通道,减少漏流下洗对叶片通道造成的阻塞.叶尖附近主流在叶盆尾缘气流高压作用下进入斜槽,而后气流在叶背前缘以高速由斜槽射入主流,该高速射流有效地扫除叶尖易失速的附面层,从而延迟气流分离,扩大压气机的失速裕度并减少二次流损失.这种籍助于动量交换而形成高速射流对主流的作用可能是机匣开槽结构改善失速裕度的主要原因.      

轮缘密封影响下的动叶通道内非定常流动研究

为了研究涡轮转静盘腔间轮缘封严结构对下游动叶通道内流动的影响，对无封严结构、无封严气流及采用不同封严流量时涡轮动叶通道内流场分布和气动损失进行了数值模拟。结果表明：封严腔出口位置气流受静叶与动叶相对位置变化的影响呈现较强的非定常特性，变化与动叶运动周期保持一致。动叶入口位置非定常波动受到封严气流与前缘势场共同作用，封严气流引起周向、径向速度变化的同时也造成了强烈的非定常效应。动叶通道内封严气流引起的端区气流偏转改变了前缘马蹄涡滞止点位置，增强了马蹄涡压力面分支，动叶吸力面一侧剪切诱导涡改变了轮毂通道涡的形成机制和吸力面侧相对低压区的位置。     

S弯进气道出口旋流对轴流压气机性能的影响

为探究S弯进气道出口旋流对轴流压气机性能的影响，优化设计了旋流畸变网以模拟旋流，利用数值模拟的方法探究了单级轴流压气机在S弯进气道出口旋流作用下的气动响应，获得均匀进气条件和旋流进气条件下的压气机特性线和流场分布。结果表明:优化后的旋流畸变网总体旋流角误差降低了。S弯进气道出口旋流对增压能力影响不大，但会导致压气机效率下降，稳定工作范围减小。在100%和80%换算转速，压气机的压比最大降幅分别为0.12%和0.28%，在峰值效率点附近的效率最大降幅为3.2%和14.4%。S弯进气道出口旋流中的反向旋流区增大了转子叶片进气攻角，导致气流叶背分离、叶片通道堵塞，最终导致压气机失稳。      

引气对跨声轴流压气机性能的影响

以单级跨声轴流压气机NASA Stage35为研究对象,根据影响转子和静子通道流动的主要物理现象分别设计了多种引气方案.通过数值模拟比较分析引气与不引气状态下压气机的详细流场,结合实验测量结果,研究转子机匣端壁引气位置以及静子机匣端壁引气量对压气机性能及流场的影响.结果表明:转子机匣端壁引气能够有效控制间隙泄漏流的发展,减小叶尖损失,提升压气机性能.不同的引气槽结构和轴向位置对间隙流动的影响机理不相同;静子机匣端壁引气能够有效减小静子叶排损失,提升压气机效率.      

风扇/增压级带间隙三维粘性流场数值模拟

使用三维数值模拟软件NUMECA(Numerical Mechanics Application)对双涵道风扇/增压级带转子叶尖间隙的粘性流场进行了三维定常流动数值模拟,获得了其设计转速下的流场特性.结果显示,随着外涵背压的升高,风扇顶部激波后阻塞区周向和轴向尺寸增大,激波变形加剧,继续提高外涵压比,则外涵效率和进出口流量下降.内涵背压的升高,使内涵各转子叶片顶部的泄漏流动影响范围向上游扩散.内涵背压过高,效率和进出口流量同样会有下降的趋势.同时通过和实验结果的比较表明,数值模拟软件模拟的风扇/增压级的三维定常粘性流场能够较真实的反映出转子叶尖间隙泄漏流场的结构特征,以及间隙对流场参数的影响.      

大攻角状态压气机分离流及叶片动力响应特性

为研究大攻角状态压气机转子内部分离区的脱落和传播过程及转子叶片对其动力响应问题,对某跨声速压气机级进行了非定常数值模拟和双向迭代流固耦合数值模拟。研究结果表明,在近失速状态,转子叶片通道内会周期性地发生2次叶背分离区的脱落和传播现象。第1个分离区主要表现出轴向传播特性,其会对下游流场产生影响;第2个分离区主要表现出周向传播特性,其会作用于周向相邻的转子叶片,对转子叶排自身产生激励作用,进而影响叶片表面压力分布,引起叶片较强的动力响应,对叶片结构强度的影响不可忽略。非定常/流固耦合计算手段能够较全面地预测流场中激励源的频率、幅值与位置等,在压气机设计阶段应对此类预测工作予以重视,以期更准确地预测叶片共振及动力响应等问题。     

考虑二次流影响的压缩系统稳定性模型

利用Ａｄｋｉｎｓ－Ｓｍｉｔｈ二次流模型计算得到转子出口截面落后角沿叶高的变化。在压缩系统稳定性模型中考虑叶尖流面落后的角影响，并提出一个新的时滞参数计算公式，计算结果表明，落后角的大小对压缩系统的稳定性影响很大，同时揭示了叶尖间隙对压缩系统稳定性的影响。     

轴流压气机内导叶/转子干涉对转子流场的影响

叶轮机械内的转静干涉现象多年来一直是一个研究的热点,然而现有的对于转 静干涉的研究多局限于对流动现象的描述,缺乏理论指导,因此无法在叶轮机械的设计体系 中包含这一非常重要的非定常流动现象,限制了叶轮机械性能的进一步提升.利用流动稳定 性及感受性理论来指导对这一问题的研究,能够找到利用这一现象提升叶轮机性能的规律. 对于一台单级低速轴流压气机内的导叶/转子干涉现象进行了实验研究.利用二维粒子图像 速度仪测量得到了导叶/转子干涉的定量流动细节,及其对于转子流场的影响.结果表明, 转子流场在定常来流条件下也表现出显著的非定常性.在引入导叶/转子干涉之后,转子流 场结构发生显著变化.动叶尾迹强度明显减弱,叶背流动分离得到抑制,叶尖泄漏涡也得到 了周期性的抑制.除了导叶尾迹对动叶流场的干涉作用以及气流角的周期性变化以外,动叶 非定常流动对于不同的导叶/动叶干涉激励频率的不同响应是引起压气机性能变化的主要原 因.      

多块网格计算跨音压气机带叶尖间隙流场

开发了三维数值模拟程序研究轴流跨音转子叶尖间隙流动,应用高雷诺数k-ε湍流模型加壁面函数的方法,计算了轴流跨音转子NASA Rotor37在设计转速下的流场.叶尖间隙采用分区的H型网格和主流区连续对接耦合计算,没有用间隙模型,也没有考虑Vena收缩效应而减小间隙量.在用有限体积法对Navier-Stokes方程和湍流方程进行空间离散的过程中采用了交错网格的方法将N-S方程与湍流方程紧密地耦合在一起,从而提高了计算精度.计算结果和实验数据进行了详细的比较和分析.结果表明,中部叶展具有与实验结果非常一致的流场特征,根、尖区流场则因涡粘假设和激波问题的存在而使流动细节与实验结果略有偏差.