大子午扩张涡轮端区的流动传热及端区正弯效果的数值研究

为了研究大子午扩张涡轮端区流动和传热特性,并研究叶片端区正弯技术在大子午扩张涡轮中的气动和传热效果,对某大子午扩张涡轮静叶进行数值模拟。运用SST湍流模型精确捕捉流动结构,并进行了气动和传热预测的有效性实验验证。通过分析结果,对大子午扩张涡轮端区流动和传热特性以及两者相互影响关系进行了深入研究,分析了端区正弯技术在重组大子午扩张涡轮端区流动以及合理分布热负荷的应用效果。结果表明：大子午扩张端壁导致涡轮端壁附面层的强烈分离,通道涡分离点提前约15%,高传热区受马蹄涡和通道涡的强烈影响;端区正弯有效地改善了大子午扩张静叶端壁的附面层分离,减小前缘的热负荷25%,提高涡轮的气热性能。     

大子午扩张涡轮端区的流动传热及端区正弯效果的数值研究

为了研究大子午扩张涡轮端区流动和传热特性,并研究叶片端区正弯技术在大子午扩张涡轮中的气动和传热效果,对某大子午扩张涡轮静叶进行数值模拟。运用SST湍流模型精确捕捉流动结构,并进行了气动和传热预测的有效性实验验证。通过分析结果,对大子午扩张涡轮端区流动和传热特性以及两者相互影响关系进行了深入研究,分析了端区正弯技术在重组大子午扩张涡轮端区流动以及合理分布热负荷的应用效果。结果表明:大子午扩张端壁导致涡轮端壁附面层的强烈分离,通道涡分离点提前约15%,高传热区受马蹄涡和通道涡的强烈影响;端区正弯有效地改善了大子午扩张静叶端壁的附面层分离,减小前缘的热负荷25%,提高涡轮的气热性能。     

绊线对大子午扩张涡轮端壁的气动及传热性能影响研究

为了探究绊线对大子午扩张涡轮端壁边界层分离和马蹄涡的削弱效果,分析绊线对大子午扩张涡轮端壁传热特性的影响。对某1.5级涡轮应用SST湍流模型对端壁流动进行精细捕捉,并进行了气动和传热的有效性实验验证。结果显示：绊线减弱了叶片前缘驻点高压区,使得上端壁分离点位置提前;绊线增强了来自涡轮动叶的泄漏涡强度,但极大地削弱上通道涡;此外,中间位置绊线使得总压损失降低了2.28%。叶片前缘热负荷增加,Trip(5.3% E)绊线使得叶片表面热通量降低1.66%。大体上讲,绊线的引入减小了大子午扩张涡轮通道涡等二次流的影响,优化了大子午扩张涡轮的流场,降低叶片表面换热量。     

大子午扩张涡轮扇形叶栅变工况性能实验研究

为了研究大子午扩张低压涡轮变工况下的流动性能,分别对大子午扩张低压涡轮的两套不同的扇形叶栅进行气动实验研究。在设计进口气流角条件下,分别进行不同高亚声速马赫数出口变工况实验研究;在出口马赫数不变的条件下,完成变攻角实验。分析了大子午叶栅流动损失特点和二次流的影响规律。结果表明:大子午扩张实验叶栅出口存在两个明显的高损失通道涡,上通道涡位于展向1/3位置,远离上端壁,且强度明显大于下通道涡。随着马赫数增加,叶栅出口流动损失增加了15%。大子午扩张涡轮端壁曲率影响近端壁叶片的压强分布和变工况敏感性,优化端壁曲率将有助于流动状态的改善。     

子午修型对1.5级大子午扩张涡轮端区流动传热性能影响研究

大子午扩张涡轮由于子午型线扩张度较大,因而易导致端区边界层分离及热集中,针对这个现象,采用数值模拟方法,并采用正弦曲线对某型1.5级大子午扩张涡轮子午型线采取了8种修型方案,研究子午修型对于端区流动传热性能的影响。计算结果表明,子午修型可以有效地控制端区的分离流动,从而影响着通道涡与脱落涡强度及位置,也影响着端壁及叶片上热负荷分布。在本文研究条件下,振幅为三分之一叶片最大厚度的前凹后凸子午型线有效地减弱了脱落涡引起的损失,进而使整体总压损失减小6.06%,并可以减弱端壁及叶片传热集中,使叶片最大热负荷减轻21%。     

基于压力场分布的大子午扩张涡轮非轴对称端壁造型方法

为提高大子午扩张涡轮端区气动及传热性能,基于大子午扩张涡轮上端壁静压场分布细节,使用Bezier曲线与正弦三角函数曲线相结合的非轴对称端壁造型技术,对某1.5级大子午扩张涡轮第2级静叶上端壁进行8种非对称造型设计,并通过SST（shear stress transfer）湍流模型数值求解RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations）方程组对造型前后端壁进行了流动与传热特性的研究。结果表明：对大子午扩张涡轮上端壁进行非轴对称造型设计可有效改善其上端区叶片通道内横向压差分布情况;对其上端壁压力面进行通道内凸起造型可降低出口总压损失,当凸起幅值为S2叶高的5%时,出口总压损失最多可降低约1.1%;对其上端壁吸、压力面均进行通道内凹陷造型将减小机匣与叶片的热负荷,当凹陷幅值为S2叶高的5%时,机匣及叶片的热负荷最多可分别降低约3.1%与2.8%。     

大子午扩张涡轮叶片正交设计及性能分析

在大子午扩张涡轮中,流道的子午扩张会造成较强的端部二次流动,从而产生较大的端区损失。为重组大子午扩张端区流动以减小端区损失,对燃气轮机动力涡轮第一级静叶进行正交设计优化,并对重新设计的正交叶片和原型叶片进行数值模拟计算及对比分析。研究结果表明,采用正交叶片作为大子午扩张静叶的涡轮级效率有明显提高,正交涡轮使得上下端壁的流动趋于平缓,并使得上端壁的通道涡减小,上端壁的流动沿"C"型压力场向叶片的中部移动,减少了端区的流动损失。在叶中和叶根部分流动损失也得到了减小。同时径向静压梯度明显减小,改善了附面层径向的串动,第一级涡轮的效率提升了0.74%,主要提升位置在80%到90%相对叶高处,功率提高了0.69%。     

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。      

改进的瞬态实验方法对涡轮转子端壁换热的研究

改进瞬态实验方法,使实验件的初始温度在上下表面间形成线性分布,降低了对实验设备和操作的要求.以此方法研究涡轮转子端壁的流动和换热情况,实验结果表明,端壁表面的换热强度受来流雷诺数和端壁二次流结构的共同影响.来流雷诺数增加,端壁整体换热增强;二次流的影响,导致端壁表面存在若干局部传热强化的区域,包括前缘马蹄涡形成的区域、马蹄涡分支覆盖的区域、靠近吸力面一侧通道涡生成的区域、以及角涡产生的位置.实验测得的结果符合对端壁二次流结构的现有认识.      

叶栅二次流旋涡结构与损失分析

采用三维粘性程序对某型动力涡轮的第一级进行了数值模拟, 模拟结果捕捉到了该涡轮级叶栅的内部流的流动细节, 展示了涡轮叶栅端壁和型面流动及叶栅通道内的三维流动结构.通过对叶栅中的二次流现象和流动损失机理的分析, 揭示了该涡轮级叶栅通道内二次流旋涡结构(马蹄涡、通道涡、壁角涡、尾迹涡、泄漏涡等)的演变过程, 以及旋涡结构对损失分布的影响.      

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。     

上游尾迹与涡轮叶栅通道涡相互作用研究

采用三维粘性非定常数值模拟方法研究了上游尾迹与涡轮叶栅通道涡的相互作用,对定常、非定常时均以及瞬时时刻流动机理进行了分析.结果表明:上游尾迹的非定常作用一方面增强了叶栅通道涡的径向涡,使得流动损失增大;另一方面能够一定程度上抑制通道涡中流向涡的发展,对控制损失起到正面作用,端区的综合非定常效应取决于两者之间的平衡.在本文计算条件下,上述两方面综合影响使得通道涡的非定常损失增大.      

涡轮叶栅端壁区流动的实验研究

本文在大尺寸低速开式叶栅传热风洞中对一种高压涡轮导向叶栅中的流场进行了实验研究。采用五孔针对5个雷诺数下的叶栅端壁区三维流场进行了测量,并用线簇和小球浮动法对5个工况的流动进行了流场显示。实验结果表明:马蹄涡压力面分支在向吸力面运动的过程中,破坏了来流附面层的结构,在马蹄涡压力面分支之后,叶栅通道中产生了一个新的从压力面到吸力面的新附面层,新附面层的厚度小于来流附面层厚度;三维流动区约占叶栅通道的40%;雷诺数的增大将增强端壁区的三维流动。从流场显示图片可以观测叶片吸力面靠近端壁的角涡形成与发展,以及吸力面上的三角形区域;流场显示的通道涡大小与流场测量结果吻合。本文的实验结果有助于分析端壁表面和叶片表面换热特性的形成机理。      

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%.      

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。     

高负荷涡轮端区非定常流动相互作用研究

采用三维黏性非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮端区非定常流动相互作用,着重研究了上游静子尾迹与转子二次流的非定常作用机制,同时还分析了负荷分布、激波等对端区非定常流动的影响。结果表明,静子尾迹的非定常作用一定程度减小了转子轮毂二次流的径向涡量;尾迹对流向涡量的影响取决于尾迹沿叶高的分布,当吸力面一侧的尾迹具有与二次流方向相反的流向涡量时,二次流的流向涡量减小;非定常效应还使得转子叶片根部负荷略为减小,也一定程度上抑制了转子轮毂二次流的发展。此外,受静子尾缘激波的影响,转子叶片表面负荷分布发生明显的周期性变化,导致叶片表面承受较强的非定常力,在涡轮设计中必须考虑。另外,通过计算涡轮级中的熵增和熵产,定量地分析了端区非定常相互作用产生的损失,并得到了一些有意义的结论。