高压级涡轮非轴对称端壁造型数值研究

非轴对称端壁造型在叶轮机械的设计中得到了越来越多的重视.本文以某高压涡轮为研究对象,通过对端壁面上凸、端壁面下凹和轴对称端壁流场的数值模拟,分析了非轴对称端壁造型对涡轮性能的影响,探讨了非轴对称端壁造型降低流场二次流流动损失的机理.结果表明:采用非轴对称上凸端壁可提高涡轮气动效率0.57%,而采用非轴对称下凹端壁则导致效率下降0.56%,合理使用非轴对称端壁造型技术可有效降低二次流流动损失并提高涡轮气动性能.     

一种新型涡轮叶栅非轴对称端壁造型的数值研究

为探讨非轴对称端壁造型降低涡轮叶栅二次流损失的有效性,构建基于高压涡轮直列叶栅的非轴对称端壁气动优化设计方法,并用NUMECA／FineTurbo模块对优化后的结果和原涡轮叶栅分别进行流场计算。结果表明：非轴对称端壁造型使叶栅通道的总压损失系数面降低了2．84％;改变了通道内的叶片载荷分布,形成了叶型的载荷后置;改善了流场内的流动结构,使气流的流动变得更加通畅;延迟了通道涡的过早形成,减小了通道涡的强度和尺度。因此,非轴对称端壁造型可以有效地降低涡轮叶栅通道内的二次流损失。     

进口不重合和轴对称造型对跨声速涡轮叶栅端壁传热特性的影响

为有效评估实际燃气涡轮叶栅进口端壁不重合和轴对称收敛端壁造型对叶栅端壁传热特性的影响,以某工业燃气涡轮第一级跨声速导向叶栅为研究对象,基于商用CFD软件ANSYS Fluent 15.0,研究了3种端壁结构:简化平板端壁、具有子午面轴对称收敛造型的实际涡轮叶栅外端壁(叶顶)和内端壁(叶根)在设计工况(进口湍流强度为16%,出口马赫数为0.85)下的流动和传热特性。计算分析了2种进口端壁不重合度(进口后向台阶高度为0、 6.78 mm)下,3种叶栅端壁结构的端壁热负荷分布、近端壁二次流结构和后台阶涡系发展。结果表明:轴对称收敛端壁造型和进口端壁不重合均会显著改变叶栅端壁二次流结构和热负荷分布规律;轴对称收敛端壁造型可在一定程度上减小端壁热负荷,尤其是叶片前缘肩部和喉部下游等易发生热腐蚀的冷却气膜难以覆盖区域;燃气涡轮实际运行中产生的进口端壁不重合导致叶栅前缘上游典型高传热区面积和强度(增大约140%)显著增大并向叶栅通道内迁移,使叶栅端壁承受着极高热负荷;实际燃气涡轮第一级导向叶栅端壁冷却方案设计必须充分考虑实际端壁造型结构和燃烧室-涡轮交界面端壁不重合对端壁热负荷分布的影响。      

涡轮平面叶栅端壁附近的流动和损失

用五孔针对涡轮导向叶栅流场作了详细测量,着重研究了端壁附近的三维流动,分析了叶栅中的二次流现象和流动损失机理。在实验中清楚地探测到了通道涡和马蹄涡的两个分支。实验发现通道涡主宰了整个二次流流场,马蹄涡吸力面分支在与通道涡的相互作用过程中强度逐渐减弱直至消失。在０．６２Ｃｘ截面及其下游截面的吸力面附近,还发现了一个显著的低速高损失核,该核在吸力面上向上爬升并一直延续到叶栅下游。     

端壁翼刀控制压气机叶栅二次流的机理研究

对CDA压气机直叶栅和具有不同流向位置和不同几何参数的端壁翼刀叶栅内三维粘性流场进行了数值模拟.结果表明,端壁翼刀主要通过阻断马蹄涡压力面分支汇入通道涡和有效产生反向翼刀涡来控制二次流.加装在距叶片压力面30%节距处且高度为1/3来流附面层厚度、占据前3/4流道的翼刀布置方式为本文所给出的最佳翼刀位置.     

非轴对称端壁下高负荷压气机叶栅二次流动分析

探讨了高负荷压气机叶栅中应用非轴对称端壁的有效性.首先利用NUMECA/Design3D优化软件包来完成了对端壁的优化,然后推导并建立了高负荷压气机叶栅出口含全部掺混损失的二次流损失的计算方法,最后在设计攻角和非设计攻角下对轴对称端壁和非轴对称端壁结构的高负荷压气机叶栅内部及出口流场进行了详细的分析.分析结果表明:在设计攻角和非设计攻角下采用非轴对称端壁均能改变端壁附近载荷分布、降低叶片通道的二次流动损失;在设计攻角下使叶栅周向质量平均总压损失减少约为9.4%,在非设计攻角(±3°)下分别减损7.7%和11.8%;当非轴对称端壁幅值为4%叶高时,二次流动损失最小.      

针对轴流压气机的非轴对称端壁造型优化设计

针对某轴流压气机构建了一种新的非轴对称端壁造型,该造型可通过抑制角区分离来达到减小通道内二次流损失的目的。首先,在设计工况下,针对基准叶栅建立非轴对称端壁的自动优化设计方法。然后,在设计和非设计工况下,用NUMECA/Fine turbo模块分别对基准叶栅和优化叶栅进行定常流场计算。结果表明,两种工况下,优化叶栅有效抑制了角区分离,原因为非轴对称端壁造型改变了通道内的涡系结构;优化叶栅出口截面总压损失系数显著降低,叶栅出口气流角更加均匀和平衡。     

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.     

不同高度端壁翼刀对压气机叶栅二次流影响的数值模拟

对CDA常规直叶栅和三种具有不同高度端壁翼刀压气机叶栅内三维粘性流场进行了数值模拟。计算结果表明,翼刀偏向吸力面一侧上方有反向翼刀涡产生;随着翼刀高度增加,对横向流动的阻断作用增强的同时,翼刀周围损失有所增加;1/3附面层厚度为加装翼刀的最佳翼刀高度,可使叶栅损失降低9%。实验与计算结果吻合较好。      

对转压气机非轴对称端壁造型优化设计

为探索非轴对称端壁对对转压气机流场影响机理,采用端壁造型进一步提高对转压气机性能,以某对转压气机双排转子为研究对象,应用人工神经网络与遗传算法在整机环境下先后对转子1(R1)和转子2(R2)进行了非轴对称端壁造型优化,并对比分析了优化前后流场结构及性能.结果表明:在优化工况点,非轴对称端壁改变了各转子轮毂附近的静压分布,减小了周向静压梯度,降低了二次流强度;同时改变了各转子沿径向的通流能力,提高了各转子靠近尖部区域的效率;最终对转压气机整机效率上升了0.78%.      

上端壁翘曲对涡轮叶栅流场的影响

利用N－S方程求解程序，对采用不同端壁结构的三套大转角涡轮叶栅进行了数值模拟，探讨了上端壁翘曲对涡轮叶栅内气流流动的影响。计算结果表明,上端壁翘曲后，上半翼殿内的二次流流场发生了明显的变化，非轴对称端壁是控制叶栅内二次流流动的一种有效的方法。     

一种新非轴对称端壁成型方法的数值研究

根据叶栅内部二次流形成和发展的机理, 应用正弦函数和多项式函数建立了一种叶栅非轴对称端壁成型方法.采用三维时均可压缩N-S方程组求解技术, 数值研究了采用所建立的非轴对称端壁成型方法设计的跨音速直列叶栅的流动特性, 分析讨论了建立的非轴对称端壁成型方法的效果及其对叶栅流动特性的影响.计算结果表明:所建立的非轴对称端壁可以有效地抑制和延迟叶栅通道中二次流涡系的发展, 沿整个叶栅流道内总压系数明显降低, 成型过程中幅值控制函数中最大幅值约占7.5%叶高为宜, 叶栅出口位置处总压损失降低了约5.6%.      

非轴对称端壁对轴流风机二次流动的影响

为了研究非轴对称端壁对低速风机二次流动的影响机理,本文在某单级低速轴流风机的静子轮毂采用了非轴对称端壁(CEW)造型,并利用三维数值模拟软件进行了数值分析。结果表明:100%设计转速下工作点的等熵效率和总压升系数均有所提高,且在小流量点的提升幅度大于大流量点;其中风机峰值效率点的等熵效率提升了1.27%,总压升系数提高了2.97%;非轴对称端壁通过型面变化来改变局部的压力梯度,其中近吸力面凹槽使得流向逆压梯度(APG)减弱,而近叶栅通道出口的端壁凸包可以提高其前方压力,抑制横向流动的发展,这两种型面均有利于抑制角区分离。对该非轴对称端壁凹槽结构的径向深度幅值进行了对比分析,发现其存在一个约为静子根部弦长5.73%的最佳深度。      

涡轮平面叶栅非轴对称端壁优化设计

开发了一套造型灵活直观、网格生成速度快的涡轮平面叶栅非轴对称端壁优化设计工具,该工具的核心技术是非均匀有理B样条(NURBS)曲面造型和网格变形.在此基础上以商业软件Isight为优化驱动器,以CFX为求解器,搭建了非轴对称端壁优化设计流程.以Pack B涡轮平面叶栅为例,对其进行了非轴对称端壁优化设计.优化后涡轮平面叶栅总压损失系数减小了12.96%.结果表明:涡轮平面叶栅端部的静压分布改变削弱了涡轮平面叶栅通道中马蹄涡、通道涡的强度,提高了涡轮平面叶栅的气动性能.      

涡轮导向器缘板安装缝隙泄漏特性数值模拟

针对某航空发动机涡轮导向器,采用数值模拟的方法研究了缘板安装缝隙泄漏流对叶栅通道流场结构及叶栅性能参数的影响,对比分析了不同泄漏流压力、缝隙宽度及缝隙相对位置条件下的泄漏量,及其对叶栅性能参数的影响规律.研究发现:在压差作用下冷气通过缘板安装缝隙进入燃气主流通道并在中段的位置形成螺旋涡系,对端壁二次流产生明显影响,其作用效果沿叶高方向逐渐降低,最大影响区域为44.44%叶高.计算结果表明:随着泄漏流压力的提高、缝隙宽度的增加、缝隙与发动机主轴方向夹角的变大,叶栅的能量损失系数和泄漏量都呈现出了单调增加的趋势.在研究的参数范围内,涡轮缘板安装缝隙导致的泄漏流可使叶栅的能量损失系数增加14%~62%.      

基于水滴型带状前缘的涡轮端区损失控制数值研究

探索了基于水滴型带状前缘的涡轮端区损失控制方法,研究了水滴型带状前缘对于涡轮二次流损失的控制机理.以典型的高负荷低压涡轮叶片T106叶栅为对象,对比分析了不同的端区叶片带状前缘造型设计参数对涡轮端区损失的控制效果.结果表明:带状前缘的向前延伸长度、吸力面延伸位置和压力面延伸位置对于带状前缘的总压损失系数有较大影响,最佳设计方案可以使T106叶栅总压损失系数减小约5.1%.水滴型带状前缘与余弦带状前缘相比,端区损失的减小量并没有明显差异,但是水滴型曲线与原始叶型的光滑融合不会引起叶型表面压力的局部波动.