正弯涡轮叶栅内旋涡结构的数值模拟

对某型涡轮正弯及直叶栅流场进行了三维粘性求解。给出了马蹄涡及通道涡的详细演化过程。通过对弯直叶栅两类流场拓扑结构上的差异分析,指出与直叶栅相比采用合适的弯角后正弯叶栅有利于形成稳定的通道涡,并且在相当大的轴向弦长范围内保持着这种稳定的涡结构。并将其对损失的影响进行了分析     

吸力面上气膜冷却对涡轮叶栅流场影响的实验研究

利用气动探针测量和墨迹显示方法,对不同实验方案下,带吸力面气膜冷却的某型涡轮导向器叶栅流场结构进行了实验研究。结果表明,冷气射流与燃气主流的掺混以及卵型涡的形成,使得吸力面根部出现了与通道涡旋向相反的涡系;卵型涡始终以一定形式存在于叶片表面,直到叶栅出口与尾迹相互作用后才达到均匀状态;冷气射流很难进入到通道涡分离线与端壁所形成的三角形区域中,通道涡分离线明显向端壁方向下移。      

冲角对压气机叶栅内二次涡的影响

在实验结果的基础上,通过数值模拟,并应用拓扑学原理和壁面流谱规律,分析了不同冲角下压气机叶栅内的二次涡的发展过程,给出了其拓扑结构。结果表明:随着冲角增加,叶栅吸力面的分离尺度增加,流动非定常性增强,并且分离形态由开式分离向闭式分离转化;而壁角涡对冲角变化不敏感。最后提出了新的压气机平面叶栅内的旋涡模型。      

低速条件下压气机静叶栅中弯叶片对变攻角性能影响的数值分析

使用数值计算的方法对某型压气级静叶栅的直叶片与弯叶片变攻角特性进行了对比研究,结果发现弯叶片对正攻角下的流场特性有明显的影响。由于端区扩压因子的减小和近端区吸力面一侧的密流的增加,所以弯叶片能够消除或推迟在大正攻角下近吸力面角区分离的产生。弯叶片也因此可以扩大叶栅稳定工况范围,分析结果表明在某一弯角(20°)时,达到最大,临界攻角为16°。      

弯叶扩压叶栅壁面静压分布实验研究

在零冲角下, 对常规直叶片、正倾斜和正弯曲叶片组成的3种平面扩压叶栅的叶片表面和端壁静压分布及相应的出口流场进行了实验研究, 实验表明叶片正弯曲可得到叶片表面上沿叶高的C形压力分布, 叶片倾斜和弯曲可消除壁角区低能流体的堆积, 降低端部损失, 延缓壁角失速, 改善叶栅气动性能。      

不同掠型扩压叶栅壁面静压分布特性研究

实验研究了不同掠型叶片组成的平面扩压叶栅壁面静压分布。结果表明,前掠叶栅流道中横向压力梯度减弱,型面压力沿叶展呈反"C"型,有利于减弱角区低能流体堆积,但中径处损失将有所增加;弯掠叶片强化了上述趋势,其降低端部损失和延缓角区分离的能力更强,具有深入研究的必要。      

CST造型方法在涡轮叶片前缘修型中的应用研究

为了探究CST (形状函数变换技术)造型方法在涡轮叶片前缘修型中的应用效果,完善了CST方法在前缘型线重构中的实施细节,数值模拟了雷诺数对前缘修型前后叶型损失及边界层特性的影响,验证了CST前缘修型方法在新型高速飞行器低压涡轮中的实用性。结果显示:CST方法前缘修型可以消除HD叶型吸力侧前缘的压力峰和分离泡,从而使得高雷诺数条件下吸力侧分离诱导的边界层转捩现象延迟发生,叶型损失降低32%,拓展了低损失状态的雷诺数范围。吸力侧损失的降低在低雷诺数条件下主要来自于前缘附近的剪切层,而高雷诺数条件下主要来自于前缘剪切层和扩压段前的层流边界层。新型高速空天飞行器低压涡轮叶片采用CST前缘修型对提升效率是有效的,在设计点状态附近效率提高0.1%,而膨胀比较低的大负攻角状态下效率提升0.3%～0.5%,损失降低的位置主要集中在叶展中部压力侧边界层和根部的二次流区域。     

轴流燃气涡轮气动设计中反动度可行域的研究

为快速确定反动度的合理取值范围,加快涡轮设计流程及完善气动设计体系,对考虑动叶进口相对总温的高压涡轮反动度可行域及多约束下反动度的可行域进行研究。采用"等效单级涡轮"的思路建立反动度与动叶进口无量纲相对总温之间的关系式以及采用速度三角形方法建立多约束条件下反动度可行域的计算方法。研究显示:当级负荷系数和膨胀比一定时,相对总温随反动度降低而降低。反动度降低0.1,则无量纲相对总温降低0.012。涡轮进口总温越高,反动度对相对总温影响幅度越大。当级负荷系数大于某值或膨胀比低于某值时,反动度均存在最大值。为保证气动方案具有较低值动叶进口相对总温和较高的效率,若膨胀比一定时,应选择较小的反动度和级负荷系数的设计思路,若级负荷系数一定时,对于单级涡轮反动度取值应较高,对于双级涡轮反动度取值应减小。建立考虑涡轮气动、传热、强度、结构方面的多约束可行域计算方法,可以快速确定反动度的可行域,完善涡轮气动方案设计并加快设计流程。以新型高速飞行器低压涡轮为分析对象,采用该方法确定其反动度可行域为0.125～0.266,并深入研究发现其反动度最大值由动叶出口最大允许马赫数和最小允许绝对气流角共同限制。     

基于动叶污垢沉积的数值模拟

采用三维数值方法研究了污垢沉积对压气机动叶性能的影响.对具有一定典型性的真实压气机动叶NASA Rotor 37进行数值研究,通过与文献中实验数据的对比,校核了商业CFD(computational fluid dynamics)计算代码的可靠性,结果表明计算得到的性能曲线与实验数据有较好的一致性,应用于数值模拟手段是可行的.随后通过增加叶片和端壁的表面粗糙度和厚度来模拟不同的污垢沉积程度对压气机动叶性能的影响,结果表明:增加叶片厚度和表面粗糙度都将引起总压比和等熵效率降低;增加表面粗糙度将导致流量下降,稳定工况范围向小流量方向移动;而增加叶片厚度将使得稳定工况范围明显减小,堵点流量下降较显著,这将导致动叶工作特性恶化程度增大.      

气冷涡轮级流场的数值模拟方法与试验验证

采用具有TVD(total variation diminishing)性质的三阶精度Godunov格式、自由型曲面网格生成技术以及分区网格算法,对某型涡轮级进行考虑冷气掺混的全三维Navier-Stokes(N-S)方程数值求解,并将所得的结果与试验数据进行对比分析.通过分析数值模拟结果研究了该涡轮级所具有的气动特点.结果表明:所开发的快速、高效冷气掺混网格生成方法以及任意分区的流场求解算法可以满足工程上对气冷涡轮级的总体性能的快速估算及流场结构的详细描述.