轴向间距对涡轮时序效应影响的数值研究

时序效应可以改进多级叶轮机械的效率,为了探讨轴向间距对时序效应的影响,并应用到叶轮机械气动设计中,对1.5级静/动/静布局的涡轮叶片进行了3维非定常数值模拟。结果表明:保持轴向间距不改变,转子居中时涡轮效率整体最高,时均效率最大值为0.866,转子前移时次之,时均效率最大值为0.861,转子后移时效率最低,时均效率最大值仅为0.859,且转子相对位置发生改变并不影响效率-时序位置曲线;总轴向间距变大,时序效应变弱,效率提升幅度仅为0.7个百分点,效率-时序位置曲线随之改变。     

不同轴向间距下涡轮级内非定常流场的数值研究

针对不同轴向间距下涡轮级内非定常流动进行了数值研究.讨论了非定常条件下轴向间距变化对非定常性及流场分布的影响,探讨了转子和静子叶片之间的非定常相干的机理.结果表明,轴向间距L对转子内流动的非定常性有着强烈的影响.随着轴向间距的减小,静叶尾迹的强度及影响范围增加,静叶尾迹对动叶的周期性非定常影响还是主要出现在前缘附近.由于静叶尾迹的恢复效应与来流尾迹强度成正比,50%轴向间距下动叶出口流场的湍动能在动叶通道中央区域最小.      

动叶尾迹对静子非定常气动性能影响的研究

本文利用南京航空航天大学单级低速轴流压气机试验器,对动叶尾迹对静子非定常气动性能的影响开展了系统的实验研究。通过静叶表面动态压力分布的测量,获得了在不同的动—静叶排轴向间距、不同的工作转速和不同的工作流量下,动叶尾迹对静子非定常气动性能影响的大量基础实验数据     

轴向间距变化对低压涡轮定常与非定常气动性能影响的数值研究

为了研究不同轴向间距下定常计算与非定常计算间的差异,以表明在涡轮设计中进行非定常计算与分析的必要性,对高负荷低压涡轮级进行了在不同轴向间距下的定常和非定常流动的数值模拟研究,并通过分析动静干涉条件下轴向间距变化对涡轮气动性能的影响并与定常条件下间距变化对气动性能的影响进行对比。结果表明:只有在某个合适的轴向间距范围内,定常计算结果才具有较好的参考价值;轴向间距的增加使得动叶正、负攻角都有减小的趋势,有利于改善动叶的流动状况;非定常流动的动量掺混损失具有其逆效应,它使动叶端部横向压力梯度减弱,二次流损失下降。     

时序效应对涡轮叶片非定常作用力影响的数值研究

为了研究时序效应对尾迹传递及其与下游叶片排的作用机理,利用基于密度修正的求解雷诺平均N-S方程的商用CFD软件对某一1.5级轴流低压涡轮级进行了详细数值模拟。通过调整第二级导叶的周向位置来产生时序效应,结合叶片中径处的静压系数分布来详细分析时序效应对涡轮叶片非定常力的影响。结果表明:时序效应对涡轮效率影响很小,涡轮最大和最小气动效率之间相差0.1%,当进口导叶尾迹撞击出口导叶前缘时涡轮效率最小;时序效应对动叶表面中径处压力分布影响不大,对出口导叶影响较大,压力分布改变的主要原因包括尾迹的对流传递及其撞击引起叶片环量改变;时序效应对涡轮出口导叶气动力分布影响较大,相对最大效率,最小效率下的气动负荷系数和方位角要大。     

离心压气机进口导叶尾迹的形态、输运及与叶轮流场的相互影响

采用数值模拟方法研究了跨声速离心压气机进口导叶与叶轮的静/动叶排相互影响作用,研究包括三种几何间距模型及对同一间距模型使用了两种不同的转静子交界面位置设定.计算结果表明:交界面位置的设定对混合平面法定常计算性能会产生较大影响,对非定常性能影响很小;叶排间距大小对级性能影响几乎可以忽略,但间距减小会造成流场内压力波动增大;叶轮激波使叶轮对导叶流场的影响几倍甚至十几倍大于导叶对叶轮流场的影响,且激波的影响作用使导叶压力面、吸力面侧压力波动由不同的原因造成.      

动叶约化中心位置对涡轮非定常气动计算的影响

为掌握动叶约化中心位置对涡轮内部流动非定常计算结果的影响,对动叶前缘约化、动叶几何中心约化和不约化3个算例进行了非定常计算与对比分析。结果表明,动叶通道的平整性,使得2种动叶约化方式对涡轮性能与气动参数的时均值计算结果的影响量级均不超过0.50%。2种约化方式对转静轴向间距及动叶位置造成影响,从而影响到动叶通道中二次流与静叶尾迹在动叶通道中的耗散。动叶中心约化时动叶进口的上下端壁二次流最强。不约化时动叶通道中的上游尾迹强度最强,动叶前缘约化时次之,动叶中心约化时最弱。2种动叶约化方式对涡轮非定常气动计算结果的影响均较小,其中前缘约化方式的影响更小。非定常计算时2种约化方式都可选用,且优先选用前缘约化方式。     

时序效应对涡轮尾迹传递过程影响数值研究

为了研究时序效应对尾迹传递过程的影响,利用基于密度修正的求解雷诺平均N-S方程的商用CFD软件对某一1.5级轴流低压涡轮级进行了详细数值模拟。通过调整第二级导叶的周向位置来产生时序效应,结合涡轮级中湍动能分布、叶片表面剪切应力分布等来详细分析时序效应对涡轮流场的影响。结果表明：同名叶栅数量比例是影响时序效应的一个重要因素,文中时序效应对涡轮效率影响很小,涡轮最大和最小气动效率之间相差0.1%。时序效应对涡轮性能的影响主要体现在尾迹与主流之间的掺混损失和尾迹诱导的边界层转涙损失两方面。当一条进口导叶尾迹在靠近出口导叶吸力面流过通道而与其相邻的另一条尾迹通过出口导叶压力面附近时,涡轮效率最大;当一条进口导叶尾迹撞击在出口导叶前缘而另一条尾迹从出口导叶通道中部通过时涡轮效率最小。     

静叶片时序效应对压气机叶片非定常气动负荷的影响

采用数值方法对两级低速压气机中径处的流场进行非定常模拟。研究第二排静叶在两个典型周向位置上的叶片气动负荷,分析各列叶栅气动负荷的非定常波动以及静叶时序效应对叶栅气动负荷的影响。对各列叶栅的非定常气动力和气动力矩进行频谱分析,探讨叶列间的非定常气动干扰。结果表明,时序效应对静叶片气动负荷的影响明显高于动叶片的。时序效应能够提高压气机的性能与叶片寿命.      

脉冲爆震环境下涡轮性能及气热负荷的时序演变规律

针对脉冲爆震发动机涡轮部件对剧烈时变来流条件和爆震波的非定常响应问题,对脉冲爆震发动机典型工况下某单级 涡轮开展了3维非定常数值仿真,详细讨论了脉冲爆震环境对涡轮流通能力、作功能力、流动损失、温度分布及受力等关键气热特 征的影响。结果表明：爆震波在导叶上游的传播和反射会显著影响涡轮的瞬态流通特征,导致涡轮进口流动在正向和逆向间反复 变化;爆震波压缩作功使进口温度大幅升高,而导叶反射波则会使流体温度进一步升高,甚至超过来流温度的峰值;转静子叶片轴 向间隙内呈现复杂的爆震波干涉与反射结构,在此影响下所研究的涡轮转子来流攻角变化范围超过100°,从而引起涡轮流通能 力、流动结构及损失的剧烈时序变化;在爆震波的冲击下,涡轮导叶排瞬态轴向力超过涡轮稳态设计点的120倍,周向负荷超过稳 态设计点的40倍,涡轮动叶轴向力和周向负荷则可达到稳态设计点的6~7倍,给涡轮结构强度造成极大的影响;爆震波和反射波 对工质的压缩作功可使导叶表面流体的最高瞬态温度达到导叶表面流体周期平均温度的3.5倍以上,动叶的也可达到2.8倍以上, 使叶片冷却的难度增大,且可能引发严重的烧蚀问题。     

压气机直、弯静叶Clocking效应实验研究

实验研究静叶Clocking效应对采用直、弯静叶的某低速双级轴流压气机气动性能影响.结果表明,随Clocking位置不同,上游静叶尾迹被输运到下游叶列流道中不同周向位置并与该列叶栅不同区域流体掺混是导致压气机性能变化的主要原因,且采用弯曲静叶的压气机性能随Clocking位置不同而变化的幅度要小一些.静叶Clocking位置固定时,采用弯静叶时压气机效率比直静叶时明显提高,且随流量减小而趋势显著,设计工况和近喘振点处分别约提高0.7%、3.5%.针对本文研究的压气机,综合静叶造型和Clocking效应影响,采用弯曲静叶的压气机设计点处效率最高可提高1.22%,最低提高为0.07%.     

采用正弯静叶的压气机在不同轴向间隙下时序效应的实验

实验研究了一台采用正弯静叶的低速压气机在不同轴向间隙下的时序效应,详细测量了二级静叶出口的横截面流场.实验结果表明:随着轴向间隙的减小,时序效应未见明显变化,压气机扩压能力增强,输入扭矩随之增加,效率则呈现出先增大后减小的趋势,表明存在最佳周向间隙,同时喘振裕度有所下降.     

组合压气机中导流叶片的尾迹抖动特性

为明确多排叶栅压气机中影响静叶尾迹抖动特性的因素及机理,探索调制静叶尾迹抖动周期和幅值的方法,采用数值方法对设计流量为1.12kg/s,转速为60000r/min的一级轴流和离心叶轮组成的组合压气机的非定常流场进行模拟.结果表明:静叶尾迹抖动除受几何因素影响外,还受上下游转子干涉影响,且上下游转子叶片通过频率的异同将影响静叶尾迹抖动的周期性.当上下游转子叶片同频通过时,改变动叶的时序位置可以调制静叶尾迹抖动幅值的大小.另外,静叶尾迹抖动幅值沿叶高方向并不相同,低叶高处静叶尾迹抖动幅值明显大于中、高叶高处静叶尾迹抖动幅值.      

1.5级跨声压气机中时序效应的研究

以在建中的1.5级跨声压气机试验台所使用的压气机为研究对象,利用计算流体力学方法对其内部时序效应进行了研究.研究表明:静叶尾迹与出口导叶边界层中低能流体发生掺混时,掺混损失小,压气机效率高;静叶尾迹与出口导叶主流区中的高能流体掺混时,掺混损失大,压气机效率低,且最高效率与最低效率相差约0.4%;入口导叶与静叶间时序效应不明显.此外,得出了静叶-出口导叶轴向间隙与静叶-出口导叶间最佳时序位置的关系曲线.      

静叶时序对压气机叶片附面层流动影响的数值研究

采用数值方法对两级低速压气机中径处的非定常流场进行模拟,针对压气机第2排静叶两个典型周向位置对动静叶干扰下的叶片附面层流动进行研究.建立尾迹与附面层干扰分析模型,结合叶片壁面摩擦力和近壁面附面层湍动能,详细分析了尾迹和势流干扰下静叶时序改变对叶片附面层流动产生的影响.对第2排静叶附面层的研究结果表明:静叶时序改变了尾迹在其叶排中的输运特征,能够降低壁面摩擦力和近壁面湍动能及其非定常最大波动幅值,影响吸力面附面层内动叶尾迹后沉寂区的宽度.在非定常条件下,尾迹能够诱导静叶层流附面层在尾迹干扰的局部范围内转捩发展为湍流状态,同时高湍流度尾迹的干扰具有抑制逆压梯度下附面层分离的作用,并能够延长层流区的范围.     

低速压气机静叶非定常Clocking效应数值模拟

采用三维粘性非定常数值模拟方法研究了重复级低速压气机内部非定常流动,其中包括静叶Clocking(时序)效应以及尾迹-边界层、尾迹-尾迹和尾迹-泄漏流的相互作用.对静叶时序效应的结果分析显示,当两级静叶相对周向位置改变时最大效率变化只有0.1%,表明低速压气机中静叶时序效应不明显.另外,非定常结果流动图画显示,在非定常环境下上游周期性尾迹的通过对下游叶片边界层、尾迹以及叶尖泄漏流的发展都有一定影响.     

轴径流组合压气机中动叶尾迹与势流叠加特性的数值研究

对一级轴流和离心叶轮组成的组合压气机非定常流场进行模拟,通过影响因素分组法,讨论了上游轴流叶轮尾迹与下游离心叶轮势流共同对中间静叶气流非定常流动的干涉特性及离心叶轮势流单独对静叶气流非定常流动造成的影响,并得到轴流叶轮与静叶间、轴流叶轮与离心叶轮间和静叶与离心叶轮间的干涉现象对下游离心叶轮进口气流产生的影响.结果表明:当上游轴流叶轮叶片尾迹和下游离心叶轮势流在中间静叶流道内发生耦合叠加时,会导致两种影响因素出现彼此相互激励或抑制现象;在离心叶轮进口处,轴流叶轮与静叶间、轴流叶轮与离心叶轮间和静叶与离心叶轮间的叠加干涉相位不同,将会导致此处气流产生畸变,直接影响离心叶轮进口气流角的非定常波动幅值.