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.     

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。      

用端壁造型减小涡轮叶栅二次流损失的数值研究

分别对常规叶栅、下端壁上凸和下端壁下凹叶栅的流场进行了详尽的数值模拟,通过将下端壁上凸和下端壁下凹叶栅中的通道涡的发生、发展过程与常规叶栅进行对比分析,对非轴对称端壁造型减小涡轮叶栅二次流损失的机理进行了初步的探讨。结果表明:下端壁上凸叶栅出口处的总压损失比常规叶栅下降了4.2%,下端壁下凹叶栅出口处的总压损失比常规叶栅增加了11.9%;在下端壁上凸叶栅中,下通道涡的形成比常规叶栅和下端壁下凹叶栅滞后,失去了充分发展的"机会"。这是非轴对称端壁造型能够减小涡轮叶栅二次流损失的根本原因。     

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.      

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.      

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。     

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%.      

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。     

采用新型非轴对称端壁优化设计方法提高涡轮性能的数值研究

为提高非轴对称端壁控制端壁处二次流的潜能,进一步提高涡轮性能,发展了一种新型的非轴对称端壁优化设计方法,并以高压涡轮导叶为研究对象,采用端壁参数化、三维N-S方程流场求解与基于人工神经网络的遗传算法相结合的方法进行非轴对称端壁优化,分析了优化后的非轴对称端壁造型对涡轮导叶流场的影响。结果表明:优化后的非轴对称端壁改善了涡轮导叶的流场,延迟了通道涡的生成和发展,削弱了角涡的强度,降低了导叶通道内的流动损失,涡轮导叶出口处的总压损失系数降低了3.724%。此外,非轴对称下端壁造型对高压涡轮导叶上半叶高流场的影响不大。     

变工况下非轴对称端壁环形叶栅流场特性实验

通过风洞实验对三角函数非轴对称端壁造型法和压差非轴对称端壁造型法设计的环形叶栅在设计工况和非设计工况下的流场参数进行了测量与分析.结果表明:不同进出口条件时,非轴对称端壁造型对于流场参数影响呈现出一些新特点.由于压力面与吸力面上压力改变的幅度大小会因为来流条件的变化而不同,当地总压损失系数会随着出口马赫数的降低而减小,二次流速度矢量分布规律不会随着出口马赫数的变化而不同,但二次流速度大小及通道涡系强度会随着出口马赫数的降低而减小.      

高压涡轮导叶非轴对称端壁优化设计

为使高压涡轮导叶非轴对称端壁造型在减少二次流损失、提高气动性能方面更好的发挥作用,以某一级高压涡轮为研究对象,采用端壁参数化造型、三维Navier-Stokes（N-S）方程流场求解和基于人工神经网络的遗传算法相结合的优化方法对涡轮导叶进行非轴对称端壁的优化设计。优化目标为在控制涡轮导叶进口质量流量、出口马赫数及出口气流角的情况下,导叶出口总压损失系数和出口二次流动能最小化。对比分析优化前后端壁对涡轮导叶出口参数和涡轮级性能的影响。结果表明：优化后得到的非轴对称端壁有效地改善了涡轮导叶通道内的流场,抑制了通道内二次流涡系的发展,降低了导叶出口处的流动损失,涡轮导叶出口总压损失系数降低了14．85％,高压涡轮级等熵效率提高了0．456％。     

二维涡轮叶栅流场的直接数值模拟

采用高精度有限差分格式求解非定常N-S方程组,对低雷诺数下二维涡轮叶栅流动进行了直接数值模拟,计算了雷诺数为10000,VKI涡轮叶栅在0°,8°以及-8°攻角下的流场,对涡轮叶栅非定常流动机理做了初步的探讨。计算结果表明:在叶栅尾缘处,逆时针方向和顺时针方向的主涡交替在壁面产生,并和主流相互作用产生二次涡,而当二次涡与主流连通发生掺混时,将引起主涡被分割并从叶片表面脱落;攻角在一定范围内的变化对VKI涡轮叶片表面边界层发展影响不明显。文中还对尾迹区的统计量特性和速度亏损特性等进行了研究。      

尾迹对低压涡轮端区非定常流动影响的数值研究

为提高尾迹对涡轮端区二次流影响的认识,利用尾迹降低端区损失,采用了数值模拟的方法对T106A非定常工况下的叶栅流动进行模拟,辅以实验进行校核。以上游尾迹对端区附面层的抬升作用和上游尾迹对叶栅通道前部涡系结构的破坏作用为切入点,分析尾迹对端区二次流非定常发展过程的影响。研究发现尾迹中心离开叶栅通道时,尾迹对叶栅端区二次流起抑制作用;当尾迹尾部离开叶栅通道时,尾迹卷起的轮毂附面层激励了端区二次流,使二次流更加活跃。     

高负荷低展弦比氦涡轮端壁损失机理研究

为指导高负荷低展弦比氦涡轮设计,以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通道涡迁移机制进行研究,并考察了叶片弯曲对涡轮气动性能的影响.结果表明:受轮毂道涡影响,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;叶片根部负荷增大,致使马蹄涡压力面分支与吸力面分支交点前移;轮毂通道涡径向...     

外端壁收缩与单向倾斜组合涡轮导叶的三维气动力研究

低展弦比涡轮导叶的外端壁收缩与单向正倾斜组合设计是既可减小两端二次流损失又可以满足冲击冷却叶片叶身需平直要求的技术措施。本文简要阐述了组合设计可减小二次流损失的力学机制、流场特征及三维流场设计分析的评价准则。通过三维流场计算 ,详细分析了诸如单向倾斜角度、子午面外端壁轮廓收缩起点、内外曲率半径等主要特征参数对流场品质的影响。给出了组合设计的方法与步骤及评价流场的定性准则。该组合设计方法对低展弦比高温涡轮导向叶片的成功设计具有指导意义。     

涡轮叶栅前缘气膜冷却数值模拟

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式及多区网格技术,对某型前缘带有两排冷气孔的涡轮叶栅的气膜冷却流场进行了全三维N-S方程数值求解,分析了在前缘滞止区域附近两排孔的冷气射流各自的运动规律、温度分布以及不同吹风比情况下前缘区域气膜冷却绝热效率的分布特点。结果表明,冷气孔的位置、排列方式以及冷气喷射率的变化对叶片前缘区域的绝热效率分布的影响是非常明显的。      

涡轮导向器几何与气动参数对通道涡影响的实验与数值研究

通过风洞实验和数值计算,对某型涡扇发动机原型和改型涡轮低压导向器进行了详细的流场测量与数值模拟,以考察在具有大扩张角前置机匣的涡轮导向器流道中,多种几何与气动参数变化对通道涡形成和发展的影响,特别是叶片弯曲对通道涡位置及强度的影响。结果表明:由于导向器进口前的机匣段上端壁子午扩张引起流动分离,并在叶栅进口形成远大于普通叶栅实验的大厚度进口边界层,弯叶片对通道涡位置的影响与其它进口条件下的实验结果有所不同,表现为叶片正弯引起上通道涡核心位置上移,进口分离、大厚度进口边界层以及叶片正弯引起的叶片表面静压变化是造成这一现象的根本原因。     

扫频式射流对涡轮叶栅间隙泄漏流动影响的数值研究

为控制涡轮叶栅中叶顶间隙泄漏流动和改善涡轮气动性能,将扫频式射流器(SJA)作为一种主动流动控制方法应用在涡轮叶栅的研究中。通过非定常数值计算,分析了SJA对涡轮叶栅叶顶间隙流动的作用过程以及作用机理,并且研究了不同工况下SJA对涡轮叶顶流场改善效果以及不同频率的SJA对叶顶流场的影响。结果表明:通过在涡轮叶栅上端壁增加单个SJA装置,可以有效地延迟上端壁的流动分离,其中最佳方案射流流量仅为进口总流量的0.35%,涡轮叶栅出口截面总压损失系数减少了11.48%。存在着最佳的频率284Hz,使SJA装置对流场的作用效果最佳,有效地改善了涡轮叶栅内的间隙流动。     

预旋进气小尺寸涡轮叶片冷却的流场研究

为了了解和掌握一种具有直通式冷气预旋进气系统的小型燃气轮机涡轮转子叶片的流场,在旋转雷诺数Reθ=4.66×106和冷却空气的无量纲质量流量Cw=1750时改变预旋角θ的大小,使其在15°～90°变化,通过数值研究得到了预旋角对涡轮盘腔、连管和涡轮叶片内冷却空气的流动以及叶栅通道中燃气的流动的影响。结果表明:(1)预旋角的变化会改变涡轮盘腔、连管和涡轮叶片冷气进口附近局部区域的流场,但是对涡轮叶片内其它区域和叶栅通道中的流动基本没有影响。(2)随着预旋角的增大,涡轮盘腔内预旋进气冷气射流的轴向穿透深度先增大后减小;当θ<45°时冷却空气沿外围屏流向转盘接收孔,而当θ>45°时冷却空气沿内围屏流向转盘接收孔;气流的周向速度随着预旋角的增大而减小。(3)垂直进气时连管内存在多个回流区和很大的涡流,流动损失较大,而采用预旋进气能够减弱或消除这些流动结构,存在最优预旋角θopt,θopt≈45°,此时连管的有效流通面积最大。