涡轮径向轮缘密封非定常燃气入侵和封严效率的数值研究

为防止燃气入侵涡轮盘腔,提高运行安全性,对盘腔和轮缘密封间隙内非定常流动机理进行了深入研究。采用数值求解三维URANS（Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes）和SST湍流模型的方法,研究了涡轮径向轮缘密封的非定常燃气入侵和封严效率。数值计算的径向轮缘密封的封严效率和环量比与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。分析了6种冷气流量下径向轮缘密封的非定常压力分布、封严效率和燃气入侵与冷气出流特性。研究表明：冷气流量的增加阻止了径向轮缘密封处的燃气入侵和强化了冷气出流,径向轮缘密封盘腔内的封严效率随着冷气流量的增加而增加;动盘附近的封严效率高于静盘;入侵燃气基本被限制在径向轮缘密封的间隙区域。径向轮缘密封间隙出口处的主流周向时均压力随着冷气流量的增加而增加,周向时均压力最大值与最小值的差值随着冷气流量的增加而减小。当动叶前缘与静叶尾缘距离较近且不断靠近的过程,主流周向压力最大值与最小值的差值增大,动静叶相分离的过程周向压力最大值和最小值的差值减小。在静叶和动叶间非定常干涉作用下,轮缘密封间隙出口区域主流周向压力最大值与最小值差值较大时刻的主流低压区域具有优良的封严效率,同时高压区域的燃气入侵导致封严效率降低。     

涡轮盘腔燃气入侵及间隙剪切涡特性分析

为揭示转-静相互作用下的非定常燃气入侵机理及轮缘大尺度涡结构的产生机制，对带有轴向封严结构的1.5级高压涡轮装置进行三维非定常数值模拟，结合实验结果和盘腔内的经典流动理论对数值方法进行了验证。研究结果表明：转子前缘压力势场是造成旋转燃气入侵的主导因素。轮缘间隙内的间隙剪切涡是构成轮缘三维非定常流动的主要原因，其强度受到入侵燃气和出流冷气的径向速度、切向速度梯度以及上游边界层共同影响；间隙剪切涡周向方向的旋转有利于加快入侵燃气从动盘侧迁移至静盘侧，缩小动、静盘封严效率差异，当封严流量从0.5%降低到0.25%时，盘腔出口动静盘侧封严效率差值增大175%；间隙剪切涡与旋转泵效应的相互作用对于主流高温燃气在径向方向入侵盘腔具有抑制作用；由燃气入侵机制和间隙涡特性可以得出：文中盘腔出口设置在更靠近转子前缘位置对于提升轮缘密封性能具有正向意义。     

轮缘封严气体对涡轮转子性能影响的非定常数值研究(英文)

为了研究涡轮转静盘腔的轮缘封严气体对涡轮转子性能的影响,对其进行了详细的三维非定常数值模拟。通过与无盘腔模型比较,非定常结果显示交替进行的主流燃气入侵和封严气体出流改变了转子叶片进口的气流角度,拉伸了端壁附近的马蹄涡,因此引起涡轮出口流动条件的较大变化。存在涡轮转静盘腔但没有冷气时,主流导叶尾迹的部分流体入侵盘腔,对涡轮转子性能有正面的影响。封严气体与上游导叶尾迹的相互作用引起转子通道内熵增,当冷气量占主流流量的1.37%时,涡轮效率降低2.1%。证实了轮缘封严气体对涡轮转子性能有很大的影响,在涡轮设计中必须给予考虑。     

波浪形非均匀间隙封严结构影响涡轮性能的数值模拟

利用数值模拟的方法研究了波浪形非均匀间隙封严结构和均匀轴向间隙封严结构下轮缘封严气流对涡轮性能的影响.研究表明:燃气入侵与出流结构受到静盘、动盘及主流切向速度的影响,以低于动盘转速同向旋转,并改变了转子的进气条件,增强了压力面马蹄涡强度,因此对转子出口流场造成很大影响.封严气流与上游导叶尾迹的相互作用引起转子通道内熵增,造成涡轮效率的下降.与均匀轴向间隙封严结构相比,波浪形非均匀间隙封严结构使大的入侵与出流结构破碎为小的结构,对涡轮性能的负面影响减小,涡轮效率提高了0.9%.结果证明了波浪形非均匀间隙封严结构在具有较好的封严效果的同时提高了涡轮性能.      

旋转诱导燃气入侵的数值模拟

在航空发动机涡轮级中,动盘的旋转会导致主流高温燃气从盘缘封严侵入转静盘腔系统.通过计算流体动力学方法对轴向封严结构下旋转诱导燃气入侵进行了研究,得到了在不同封严冷气流量下盘腔压力和封严间隙处径向速度的变化规律.分别计算基于质量和基于浓度定义的封严效率分布,并得到了相应最小封严流量.在不同旋转雷诺数下,用压力参数法估算了最小封严流量,所得结果与公开发表的经验关系式计算得出的一致.      

典型参数对盘缘封严性能综合影响机制

为了掌握典型参数对盘缘封严燃气入侵的综合影响机制,采用数值方法研究并揭示了燃气入侵形式与封严间隙涡系结构的内在联系,在此基础上设计了一种内环型盘缘封严结构。结果表明:增加转速和增加主流流量都会导致封严效率降低,但是二者的作用却是相互羁绊的;与传统孔口模型相比,内环型盘缘封严结构能够有效将回流区涡限制在封严间隙内,利用羁绊效应拓宽了高封严效率区域的工况范围,提高了盘缘封严性能。     

凸起迎风面积对不同轮缘封严结构封严效率影响的实验研究

为了获得合适的凸起迎风面积并为减缓燃气入侵提供依据,用CO2浓度测量法研究了凸起迎风面积的变化对涡轮腔内各参数(静压、总压、浓度)的影响,揭示了关于不同封严结构的封严效率和最小封严流量随凸起迎风面积改变的规律。试验在主流雷诺数Rew=4.39×105,旋转雷诺数在7.51×105Re?1.30×106的范围内,测得了不同封严冷气流量下的实验参数。结果表明:试验设计工况范围内,凸起的迎风面积改变对涡轮腔内的静压影响不大,靠近封严环处的静压变化几乎可以忽略不计;而总压和封严效率都和凸起迎风面积成正比关系,但不同封严结构的提升程度存在差别。整体而言,径向封严结构效率的增大最突出,轴向封严和静盘双齿封严改善略小。安装凸起后,平均来看,三种结构所需的最小封严流量分别可以减少11.8%,5.3%,3.4%。此外,旋转雷诺数对封严效率的影响也很明显。     

带缘板修型的静盘深腔型复合封严试验

采用CO₂气体体积分数测量法研究一种带缘板修型的静盘深腔型复合封严结构。同时选取轴向封严结构和叠覆封严结构作为比较基准，重点关注主流雷诺数(0.75×10⁵～9.4×10⁵)、封严流量(流量比0.2%～2.5%)、旋转雷诺数(1.6×10⁵～8.1×10⁵)等典型工况参数对盘腔内压力分布和封严效率的影响情况；并在此基础上开展了相应的数值研究，获得了封严腔室内详细的流场信息。结果表明：在试验设计工况范围内，主流雷诺数的改变对静叶尾缘和动叶前缘的周向压力分布影响显著。主流雷诺数增加，主流通道内压力升高，主流气体入侵加剧；增加封严流量有利于提高盘腔内压力，从而提升盘腔封严效率，但这对静叶尾缘压力影响较小；增加旋转雷诺数会增大静叶尾缘和动叶叶间通道前缘的静压，加重主流气体入侵，降低盘腔封严效率。相比轴向封严结构，叠覆封严结构由于高半径封严容腔的设置，改变了盘腔流场结构，有效地将主流气体阻隔在封严容腔内，保证了低半径盘腔的封严效率在80%以上。新型封严结构的静盘深腔和缘板造型设置，不仅保...     

1.5级涡轮实验台前腔燃气入侵实验

在1.5级涡轮实验台上,针对不同转速和不同封严质量流量,分别采用稳态压力测量、瞬态压力测量和二氧化碳体积分数法对燃气入侵现象进行了实验研究,以确定不同工况下主流的动静叶相互作用对燃气入侵的影响以及入侵到盘腔的燃气在腔内与冷气的掺混过程.结果表明:静叶后的时均压力在周向有明显的周期分布,部分区域封严环外的压力高于腔内压力,且随着封严质量流量增加,这一区域逐渐缩小;动叶扫掠带来同频率的压力波动,对于燃气入侵的发生有着重要的影响;通过二氧化碳体积分数实验获得了最小封严质量流量,并得到在封严质量流量不足情况下燃气沿着静盘侧入侵盘腔的结果.      

轮毂封严与高负荷涡轮端区流动的非定常相互作用

为了研究轮毂封严出流与高负荷涡轮端区流动非定常作用的物理机制,对转/静叶片之间带有封严腔的高负荷单级涡轮的流场进行了三维非定常数值模拟。数值模拟结果表明,封严气流对上游导叶的影响表现为对端区流动的堵塞作用,这种堵塞作用减弱了吸力面的压力扰动和加速膨胀,减小了吸力面的分离损失。封严流量较小时,封严腔内存在尺度大、频率低的压力扰动,压力扰动的强度向主流传播的过程中不断减弱。这种沿周向分布不均匀的封严气流直接导致了转子叶片通道出口二次流分布的不均匀性。封严流量增大后,压力扰动的影响程度和二次流分布的不均程度均有所减弱。     

受轮缘密封结构影响的1.5级涡轮封严流与主流的相互作用以及轮缘密封间流动干扰

为探究动叶上游不同轮缘密封结构封严出流对1.5级涡轮端区流场及轮缘密封间流动干扰的影响区别,通过Shear Stress Transport （SST）湍流模型对无密封腔室,上游密封结构分别为简单斜向、简单径向,下游密封腔室为简单轴向的1.5级涡轮进行了非定常数值模拟。结果表明：轮缘密封间干扰使带径向密封结构模型的下游轮缘腔室内封严效率偏低,并增强了固有的非定常不稳定特性。上游密封结构变化对动叶和第2级静叶流动的影响差异分别位于35%、65%叶高范围内;径向密封结构增加了上游静叶的堵塞效应、动叶入口气流的欠偏转程度、叶根吸力面负荷与14%叶高以上的轮毂通道涡强度,并在第2级静叶入口处产生更多低频压力波动,使其尾缘脱落涡尺度增大但13%叶高以上的轮毂通道涡强度较弱。与无密封腔室相比,通入封严气体总量为主流流量的0.8%时,带斜向密封结构的1.5级涡轮气动效率降低了0.94%,且带径向密封结构的1.5级涡轮气动损失额外增加了0.17%。     

体积分数法测量几种转静系中的最小封严流量

为防止涡轮盘腔转静系统高温“燃气入侵”现象发生,需要确定最小封严流量.在不同的转速和不同出气间隙下,采用体积分数法分别对6种典型封严结构进行实验研究,以确定它们在不同工况下的最小封严流量并得出其变化规律:在固定的出气间隙值下,最小封严冷气流量随转盘转速的增加而增大,且几乎呈线性变化;对于固定的转速,随着出气间隙的增加,最小封严冷气流量也随之增加.拟合出不同封严结构的级间封严准则函数关系式,并探寻出封严效果最优的封严结构.      

热斑在1-1/2级涡轮内的非定常迁移数值模拟

对典型的1-1/2级高压涡轮叶栅,通过求解二维非定常N-S方程研究了燃烧室出口热斑对涡轮一级动叶和二级导叶流场和温度场的非定常影响。计算表明热斑的存在对涡轮级型面时均压力的影响微小,但是会显著地增大一级动叶和二级导叶型面压力随时间波动的幅度。计算印证了热斑会导致涡轮一级动叶压力面严重过热的结论,并显示在二级导叶上会出现与一级动叶类似的压力面过热现象。      

低速轴流压气机中前后静叶对动叶顶部区域流动的影响

数值研究了某二级低速轴流压气机在高负荷工况下,动叶前后动静干涉对动叶顶部区域非定常流动的影响。结果显示一次泄漏涡和二次泄漏涡是动叶顶部的主要流动特征。下游静叶干涉增加了动叶顶部间隙流的非定常波动强度和泄漏损失。上游静叶干涉减少了动叶顶部二次泄漏流强度。同无动静干涉相比,同时存在上下游动静干涉使动叶顶部区域总压损失减少9.1%,其收益主要来自上游静叶的非定常干涉。     

柔片式密封泄漏流动的数值仿真分析

针对柔片式密封的流场和密封性能及其影响因素进行研究,建立了密封区域流体动力学计算模型,对密封间隙内流场的速度、压力分布和泄漏量进行了计算,分析了工况和结构参数对泄漏量的影响趋势.分析表明:密封泄漏量随密封压差的增大呈线性增长趋势,而随转子转速的增加变化不大;柔片宽度由3mm增加至7mm,系统泄漏量降低了40%左右,而柔片长度由12mm增加至16mm,泄漏量仅增加8%左右;前/背板与柔片或转子间间距的增大将使泄漏量上升,且前板与转子间设计间距对泄漏量相对影响较大,随其增加,泄漏量最高可增加16%;柔片末端楔形区域对泄漏量及对转子作用力均产生影响.      

高压涡轮圆柱孔状径向轮缘密封封严特性的数值研究

径向轮缘密封结构在增大主流燃气入侵阻力同时也会阻碍封严冷气的向上输送,为此提出了一种在径向轮缘密封的径向内齿上打孔来改善其封严性能的设计思路.针对Lisa1.5级高压涡轮实验台,设计了一种传统和五种带孔新型的径向轮缘密封,采用数值模拟方法评定了圆柱孔孔径D和孔心距Sh对封严性能的影响,并揭示了其改变封严特性的流动机理....