高比转速斜流叶轮流场分析

以两个高负荷、高比转速离心叶轮与斜流叶轮为例,采用数值模拟的方法,在级环境下分析了两种叶轮的总体性能,以及内部流动机理.计算结果表明在高比转速情况下,斜流叶轮有利于减弱叶尖泄漏损失,改善叶轮出口均匀性,提高叶轮效率和级效率.      

斜流压气机串列转子流场特性分析

以斜流压气机串列转子为研究对象,运用CFD软件进行了数值模拟,获得了该压气机在100%和80%设计转速下S1流面流场、子午流场、阻塞工况及近失速工况的流场特性,为斜流压气机串列转子的设计和性能分析提供参考。研究结果表明:该斜流压气机在设计转速(69900 r/min)下超声速特性明显,特性曲线较陡峭;当转速小于80%设计转速时亚声速特性明显,特性曲线较平缓。随着转速的减小,压气机的稳定裕度逐渐增大。该斜流压气机串列转子叶根和叶中截面的损失主要来源于叶型尾缘的掺混损失和叶型吸力面的小范围激波损失;而叶尖截面的损失主要来源于叶型吸力面的大范围激波损失、激波与附面层的相互影响的损失和激波与叶尖泄漏流相互作用的损失。该斜流压气机进入近失速工况后,前排转子的激波强度进一步增大,并且叶间存在大范围低速区,造成流动损失进一步增大。     

叶尖小翼对跨声速压气机转子变工况性能的影响

为了进一步揭示叶尖小翼对跨声速压气机转子气动性能的影响机理,利用数值模拟方法研究了不同叶尖小翼安装方式对跨声速压气机转子气动性能的影响,并在分析跨声速压气机转子不同转速时的流动失稳机制的基础上探讨了叶尖小翼的扩稳机理.研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在100%,80%及60%设计转速下分别使得跨声速压气机转子失速裕度增加8.1%,17.4%和7.1%.100%及80%设计转速时,转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡干涉及泄漏涡破裂后产生的阻塞区是影响跨声速压气机转子内部流动失稳的关键因素.压力面小翼的扩稳机制在于降低了叶尖泄漏流强度,减弱了激波/叶尖泄漏涡干涉的强度,减小了叶尖泄漏涡破裂后产生的阻塞区.60%设计转速时,转子叶片吸力面气动过载导致的大面积的分离流动是诱发该跨声速压气机转子失稳的主要机制,此时压力面小翼的扩稳机制在于降低了转子叶尖来流的等效攻角,减弱了转子吸力面附面层三维分离的程度.      

不同转速下叶尖间隙流对跨声速压气机失速的影响

为了研究不同换算转速下叶尖间隙流对转子失速的影响,对不同工况下叶尖间隙流动的特点进行了分析,讨论了压气机转子叶顶两个低速区的形成机理,以及该转子在多种换算转速下的失速机制。研究表明,转子失速是近压力面前缘和吸力面尾缘两个低速堵塞区共同作用的结果。二者的形成都与泄漏涡关系密切,前者是泄漏涡受激波干扰破裂而形成,后者是吸力面气流在泄漏流、吸力面二次流以及激波相互作用下而形成。不同换算转速下压气机失速机制不尽相同:在70%~100%换算转速,压气机叶顶失速主要是由于叶尖泄漏涡与激波相互作用而破裂;在115%换算转速,失速的主要触发因素为径向涡导致吸力面附面层低速气流向叶顶堆积。     

跨声速压气机转子叶尖间隙流动失稳试验研究

以跨声速单级轴流压气机为试验对象,通过在机匣表面安装高频响应动态压力传感器测量转子叶尖间隙流场,观察了不同转速下转子叶尖间隙泄漏流动结构随工作状态变化的响应特征。试验结果表明:100%转速时,叶尖间隙泄漏涡通过脱体激波后会突然膨胀而出现涡破裂现象,在转子通道内形成大面积的高静压低速堵塞区,对转子叶尖区域通道造成严重堵塞,迫使叶尖间隙泄漏流在相邻转子叶片叶尖前缘发生溢流,最终触发压气机内部流动失稳。80%转速时,叶尖间隙泄漏涡对叶片通道主流区堵塞影响较小,通道激波对进口来流产生阻滞作用,气流在进入转子叶片通道进口前严重分离,使得整个转子叶片通道完全被堵塞,最终触发压气机内部流动失稳。     

跨声速压气机转子叶尖非定常流场数值研究

采用时间精确求解方法对某高负荷跨声速轴流压气机转子在98%设计转速下的叶尖非定常流场进行了数值研究.结果显示,激波自身振荡不明显,叶尖区域流动的非定常性主要来源于叶尖泄漏涡的破碎及其与激波之间的相互干涉.对比设计状态与失速状态下叶尖泄漏涡的特点发现:在近失速点时,叶尖区域间歇性出现前缘溢流.分析表明:叶尖泄漏涡在激波后破碎是造成堵塞的主要原因,也是造成spike型失速初始扰动的原因.      

跨声速涡轮中两种叶片叶尖泄漏流的气动性能

采用数值模拟的方法,研究了跨声速涡轮叶栅中平面叶尖和双肋叶尖泄漏流的气动性能.平面叶尖比双肋叶尖的叶尖间隙内马赫数高,有反射激波结构;双肋叶尖的叶尖间隙内马赫数较低,没有形成明显的反射激波结构.平面叶尖和双肋叶尖的叶尖泄漏流质量流量分别为叶栅进口质量流量的3.87%和3.74%.平面叶尖的气动损失系数为0.079,双肋叶尖的气动损失系数为0.072.研究表明,双肋叶尖的气动性能要好于平面叶尖.      

复合弯掠优化对跨声速压气机性能影响的研究

为了研究复合弯掠优化对跨声速压气机性能的影响,以一跨声速级为对象,基于数值方法对优化前后的压气机整体性能和近设计点工况下转子内的流场进行了对比分析。结果表明:复合弯掠可以有效改善转子内部的流动和提高压气机的性能,其中近设计点的效率提升了约0.9%,近失速点效率提升约0.2%。复合弯掠可以使得负荷沿展向和弦向重新分配,改善了尖部和根部附近的流动;激波的空间结构发生了改变,全叶展上的激波均整体后移且尖部附近激波形态由一道前缘强斜激波转变为一道前缘弱斜激波和一道通道激波组成的激波系。复合弯掠也降低了叶尖"二次泄漏"的影响范围,使主流与泄漏流交界面的位置向下游移动,减小了叶尖附近通道内的堵塞和熵增区域。     

小型斜流压气机流场特性及损失分析

采用数值模拟的方法研究了某小型斜流压气机内部三维流动,分别对设计转速和80%设计转速进行了数值模拟计算。分析了在两种转速下的特性曲线,研究了气流的流动状态,归纳总结了造成斜流压气机损失的主要原因。结果表明,在设计转速时达到的最高效率约为0.63,在80%转速下能达到的最高效率约为0.80;斜流压气机的损失在斜流叶轮上和轴向扩压器上均较为明显,且在第二级轴向扩压器上的损失最为严重。     

跨声速压气机转子叶尖泄漏涡非定常特性数值研究

为了研究跨声速单转子压气机系统叶尖泄漏涡的非定常特性,选取Rotor 67孤立转子为研究对象,针对不同背压工况与不同转速工况进行了非定常数值模拟。结果表明:在每一转速状态都存在一非定常边界,其将特性线分为定常部分和非定常部分。当转子运行在特性线非定常部分时,随着背压提高,叶尖泄漏涡脉动频率逐渐减小。这是由于背压提高使叶尖前缘负荷变小,叶尖泄漏涡的驱动力也变小。叶尖泄漏涡的频率特征与转子转速息息相关。高转速状态时叶尖泄漏涡主要表现出低频特征,低转速状态时叶尖泄漏涡主要表现出高频特征。这是由于转速不同,叶尖激波的脱体程度不同,激波对于叶尖泄漏涡的激励位置也不同。由非定常叶尖泄漏涡引起的压力波的周向传播速度在各转速下表现出较强的规律性。随着流量系数的减小,压力波波速呈线性减小趋势,且各转速下减小的速率大致相同。且在波速-流量系数曲线中,各转速的非定常状态起始点基本位于同一条直线。      

亚声速半开式离心叶轮叶顶间隙的流动特征

针对半开式离心叶轮的间隙泄漏和间隙气流对气动性能的影响,采用数值方法分析了3种叶顶间隙值下叶轮的气动性能、设计工况下的叶片载荷分布、间隙流动气流角以及泄漏涡的分布特征.结果表明:叶轮叶片表面的压力分布规律不受叶顶间隙的影响,但叶片载荷在叶片的中后部有不同程度的减小;间隙处的内泄漏流动本身引起的流动损失较小;与零间隙相比,间隙处的内泄漏气流对流道前半段主流的影响甚微,但在流道中部以后,间隙流扰乱了主气流方向,并在叶顶吸力面附近形成涡流聚集区,造成明显的熵增,带来不可忽视的能量损失.希望所得结果能为建立半开式离心叶轮的间隙气动模型提供参考.      

液环泵叶轮叶片轴向叶顶间隙微射流流动机理及性能分析

液环泵的轴向间隙泄漏流对其水力性能有重要的影响,为了抑制其叶片轴向叶顶间隙泄漏流动,提升水力性能,以2BEA-203型液环泵为研究对象,在叶片轴端间隙引入微射流,采用数值模拟方法对比分析微射流对间隙泄漏流场及液环泵性能的影响机理。分析结果表明:轴向间隙射流能够有效地抑制间隙泄漏,液环泵的效率及真空度均在一定范围内提升。叶片轴向间隙内射流孔出口处会形成一相对高压区,微射流排挤占用一部分间隙的流道,部分射流与压力面泄漏流相互作用形成间隙涡,阻滞泄漏流动,使得叶片间隙泄漏流强度降低,叶片背面后方的泄漏涡前移。液环泵叶轮轴向间隙泄漏流存在复杂的时空分布特征,湍动能分布由吸气区沿叶旋方向逐渐增强,受微射流抑制作用,射流型叶轮间隙吸力面侧的湍动能强度要明显弱于原型叶轮间隙;泄漏流强度沿弦线方向逐渐减弱,微射流的部分流体沿弦线方向流入叶片轴向间隙,排挤占用下游间隙的流道,提升了叶顶间隙的密封性能。      

不同转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳的机理

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 67为研究对象,采用数值模拟方法,开展100%、80%及60%转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳触发机制的机理研究。数值结果与实验数据的对比分析表明:在3个转速下,数值总性能曲线的变化趋势与实验数据符合一致。通过压气机内部流场的详细分析,得出其基本流动机理。在3个转速下,随着压气机节流,叶顶泄漏涡(TLV)的起始位置逐渐向叶片前缘移动,叶顶泄漏涡也逐渐向相邻叶片压力面偏转,相比近峰值效率点,近失速点时在100%、80%以及60%转速下叶顶泄漏涡的偏转角度分别为3°、6°和9°。在100%和80%转速下,叶顶泄漏涡与激波相互作用所导致的堵塞是触发压气机内部流动失稳的机制,并且在80%转速下,叶顶泄漏涡发生破碎;而在60%转速下,泄漏涡在相邻叶片出现的叶顶前缘溢流(LESF)是触发压气机内部流动失稳的主要机制,叶片吸力面尾缘出现的小尺度附面层气流分离(BLFS)不是主要机制。      

跨声速叶栅中气膜冷却对平面叶尖流动和传热特性的影响

采用数值模拟的方法,研究了主流跨声速条件下,高压涡轮中平面叶尖上气膜冷却的流动和传热特性.在不带冷却的平面叶尖上,激波在端壁和叶尖表面来回反射,从叶片中部到尾缘,叶尖表面传热系数呈现条带状分布.采用气膜冷却方法后,冷却气体使得叶尖间隙内的流体减速,激波和叶尖上表面传热系数分布的条带结构不明显.冷却气体覆盖了冷却孔下游的区域,当冷却孔进口和叶栅进口总压比从0.7增大到1.0时,叶尖平均气膜冷却效率从18.7%下降到11.5%.和不采用气膜冷却的平面叶尖相比,当气膜孔进口和叶栅进口总压比为0.9时,叶尖平均表面传热系数增加了16.9%,传热量降低了8.7%.      

有无叶顶间隙条件下斜流风机叶轮内部三维流动的数值研究

本文使用NUMECA 的商业软件Fine/Turbo,对一种斜流风机叶轮在有无叶顶间隙条件下的三维粘性流场进行数值研究。在与测量数据比较的基础上,对两种流场的极限流线和二次流图谱及速度分布等进行了分析。揭示了流道中低速流体的输运,“射流—尾迹”流型和叶顶间隙泄漏涡等的形成过程。研究结果表明:二次流和涡运动导致叶道出口流动尾迹发生于外端壁/压力面角域。      

叶顶抽吸对叶栅间隙泄漏流动的控制研究

为了控制压气机叶尖间隙泄漏流动,减少叶尖泄漏流和泄漏涡对压气机内部流场带来的不利影响,数值模拟研究了在压气机叶栅叶顶位置沿叶片中弧线开槽抽吸对叶尖泄漏流的控制效果,并与端壁流向开槽抽吸方案进行了对比分析。研究结果表明:叶顶抽吸和端壁抽吸直接通过影响叶尖泄漏流的结构形态,减弱间隙泄漏流强度和影响范围,从而提升压气机/叶栅性能。叶顶中游抽吸方案Slot TB对于泄漏流与泄漏涡的控制效果优于叶顶上游抽吸方案Slot TA;而机匣端壁上游抽吸方案Slot CA相较于中游抽吸方案Slot CB对叶顶流场改善效果更佳。叶顶抽吸和端壁抽吸在抽吸量为0.6%时分别可以使总压损失系数下降约3.3%和7.2%。     

离心叶轮和扩压器相互作用

采用定常和非定常数值模拟技术,研究了某跨声离心压气机级内的复杂流动,分析了叶轮与径向扩压器之间的非定常相互作用.结果表明,扩压器的势干扰使叶轮出口静压发生周期性地变化,引起叶轮后部负荷、叶尖泄漏和损失等也产生周期性地变化,影响范围达30%流向弦长.叶轮出口流场的周向不均匀性及非定常性使扩压器进口参数发生周期性的变化,导致扩压器负荷、总压恢复系数分布呈现出较强的非定常性,影响范围贯穿整个扩压器通道.      

高压涡轮转子间隙泄漏流动的非定常特征研究

利用数值方法求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程模拟某跨声速高压涡轮流场,研究了某跨声速高压涡轮流场的非定常特征,通过详细分析动静干涉对间隙泄漏流动的影响,进一步明确了泄漏流周期性变化的规律和成因.研究发现:静子尾缘燕尾波的外侧分支外尾波是间隙内部流动结构变化的主要原因,间隙泄漏涡的周期性变化则受外尾波和尾迹的共同影响.外尾波深入转子通道内部周期性经过间隙,在间隙前缘附近产生很强的逆压梯度,使间隙前部流动方向明显改变而产生大范围分离.外尾波导致间隙泄漏流量明显增加并周期性震荡.在静子尾迹和外尾波共同作用下,泄漏涡强度出现波动且涡的位置前后移动,使泄漏涡呈现明显的非定常性.      

周向弯曲叶片叶顶泄漏流随流量变化特性数值研究

对带有周向前弯和周向后弯叶片的低压轴流风机,叶顶泄漏流动随流量变化特性进行了数值研究和实验校核,探讨了随流量减小,周向弯曲对叶顶泄漏涡的起源和发展规律的影响.性能计算结果与试验测量较为吻合,计算结果表明:随着流量减小,泄漏涡起源向前缘方向迁移,周向弯曲使泄漏流与主流掺混加剧;周向前弯叶片泄漏涡的起源距叶片前缘最远,涡强度最弱,移动最缓慢;周向前弯稳定叶顶流动,降低端壁损失,扩大稳定工作范围.      

传热对微型离心叶轮间隙泄漏流动影响的数值研究

针对某微型燃气轮机的微型离心叶轮,采用三维数值模拟方法,将绝热壁面情况和考虑传热影响情况下的叶轮性能和内部流场进行对比研究,重点分析壁面传热情况对微型离心叶轮间隙泄漏流动的影响.研究发现:传热对叶轮性能的影响主要集中在其对间隙泄漏流的作用上.绝热条件下间隙泄漏流轨迹沿叶片吸力面向下游发展,传热则使得间隙泄漏流动迹向相邻叶片压力面偏转,增强间隙泄漏流与主流的掺混导致间隙泄漏流损失增大.与绝热情况相比,传热虽然在一定程度上减弱了叶片通道内的压力梯度,但由于热量的传入会导致间隙泄漏流初始堵塞增大,最终仍会在叶片通道内造成更大的间隙泄漏流堵塞.