燃气轮机轮缘密封气动技术研究进展

为明确轮缘密封技术发展现状及趋势,在相关文献调研基础上,从轮缘密封燃气入侵的预测模型、轮缘密封不稳定流动机制、涡轮轮缘密封燃气入侵特性及流动机理、轮缘密封出流与涡轮主流的相互干扰、涡轮轮缘密封设计及气动性能改进等方面对燃气轮机轮缘密封气动技术的研究进展进行综述.简要总结了轮缘密封流动的常用研究方法与研究结果,并指出未来...     

涡轮蜂窝面径向轮缘密封封严性能的数值研究

采用附加示踪变量方法,数值求解三维Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(URANS)方程和SST紊流模型,研究了典型光滑面径向轮缘密封和新设计的蜂窝面径向轮缘密封的封严性能。数值计算了光滑面轮缘密封的封严效率。数值结果与实验数据吻合一致,验证了所发展数值方法的有效性。计算了三种封严冷气量下蜂窝面和光滑面径向轮缘密封的封严效率,分析对比了两种轮缘密封的封严性能和流场特性。研究结果表明:新设计的蜂窝面径向轮缘密封的封严效率相比于光滑面结构在相同冷气量下提高52%~67%。在径向内齿上开设蜂窝孔结构会增加流动阻力,抑制入侵燃气进入涡轮盘腔,有效地提高了轮缘密封的封严性能。     

轮缘曲线对低反力度跨声速高负荷转子性能影响的数值研究

为探索更优的轮缘子午造型方式,进一步优化低反力度转子性能,利用三维数值模拟,对两级低反动度高负荷对转压气机第一级风扇转子的三种不同轮缘造型进行了比较研究。结果表明,与直线轮缘型线相比,凸凹波浪型(正弦曲线)轮缘可提高通流能力,降低叶尖进口激波强度,但同时增加了叶根出口结尾激波强度,转子峰值效率降低0.37%,峰值压比下降;凹凸波浪型(正弦曲线关于直线的对称曲线)轮缘通流能力最低,尽管叶尖前缘激波强度增加,但近尾缘区域凹形造型使得根部出口结尾激波强度大幅降低,转子峰值效率提升了0.05%,峰值压比上升。需要指出的是,与直线型轮缘相比,采用波浪型轮缘型线的失速裕度均下降。合理的轮缘型线是在降低叶尖反力度和负荷,确保不发生附面层分离的前提下,可以有效降低叶尖前缘激波强度和叶根结尾激波强度,提升转子气动效率。     

三维修形对薄轮缘斜齿轮共振应力影响的实验研究

以８对具有不同辐板布置薄轮缘斜齿轮传动为对象，通过实验研究了三维修形对斜齿轮共振应力的影响。运用建立在有限元法、柔度矩阵和数学规划法基础上的三维修形方法获得了每对齿轮副的修形曲线。结果表明，采用三维修形技术将显著降低薄轮缘斜齿轮中的应力波动和振动水平，有利于延长齿轮传动的工作寿命。     

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。     

薄轮缘斜齿轮结构动应力的实验研究

通过实验, 研究了8对具有不同辐板支承形式薄轮缘斜齿轮结构中的动应力。讨论了不同转速和结构尺寸等对这些齿轮结构中不同部位处动应力的影响。结果表明, 随着轮缘厚度从B/3（B为齿宽）减小到B/5, 齿轮结构中的动应力通常将有所增加, 一端辐板支承斜齿轮中的动应力波动将增大。随着轮缘厚度的减小, 轮齿中的最大应力将从齿根移向齿槽。      

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....     

保持环滚切轮缘工艺

轮缘(又称加强环或轮箍)是航空发动机薄壁壳体组件所不可缺少的零件,主要起支撑、加强等作用(参看图7)。轮缘加工质量的好坏,直接影响到与简体的组装、焊接等工序的进行。如何保证轮缘加工质量、与简体组合达到最佳的装配状态、寻求一种既合理可靠又简便     

涡轮盘的破裂分析

某烟气轮机涡轮盘发生了盘缘断裂掉块事故,某航空发动机Ⅰ级涡轮盘也大量发生槽底裂纹的故障。我们对这两个盘的盘体和槽底部分用轴对称和平面8节点等参元有限元法对温度场(包括瞬态温度场)与应力场进行了计算,从而对涡轮盘在不同工作状态下的应力分布及故障原因进行了分析。本文着重阐述冷却条件对于涡轮应力分布是十分重要的,同时,不应忽视轮缘的应力水平,在某特定工作状态下,轮缘的应力值可能远远超过轮心,而且循环的应力幅值也很大,且由于载荷与几何形状的复杂性,在轮缘与榫齿的过渡段上出现较大的应力集中,往往成为裂纹源区;本文最后分析了轮缘残余应力形成及对槽底径向裂纹的生成与扩展的影响。     

基于ANSYS的整体叶盘结构优化设计

为保证整体叶盘结构在安全工作条件下质量最轻,基于ANSYS优化平台,建立了整体叶盘三维参数化模型及结构优化设计数学模型,完成了整体叶盘结构的优化设计.首先结合相关静强度设计准则及方法,在给定轮缘分布载荷条件下对轮盘子午面进行优化.然后建立整体叶盘三维模型,并对子午面优化中未考虑的轮缘关键尺寸如轮缘厚度、喉道倒角、叶根倒角进行三维局部优化.在三维优化中总结出了盘喉道和叶根最大等效应力与各优化参数之间的关系.分两步实施的整个轮盘优化过程仅需3~4h.      

分流叶片轮缘进口角对离心压气机性能影响数值仿真

为了研究分流叶片轮缘进口角的变化对离心压气机级性能的影响,以某小型模型级离心压气机为研究对象,利用数值仿真软件对流场进行了全3维模拟,重点分析其内部流场结构的变化。数值仿真结果表明:分流叶片轮缘进口角对离心压气机性能影响明显,其角度的增加使离心压气机的压比和效率提高,但会缩小离心压气机的稳定工作范围。     

基于ANSYS的多辐板风扇盘结构 优化设计技术

基于ANSYS优化平台,建立了风扇盘子午面优化设计模型,筛选了主要的优化设计变量.针对典型风扇盘设计问题,分别进行了单辐板及多辐板结构优化设计.结果表明,在满足轮盘变形、强度要求的条件下,多辐板风扇盘比单辐板风扇盘可明显减轻质量,并且其应力分布更为均匀,说明对于轮缘较宽的风扇盘,多辐板轮盘结构具有明显优越性.同时,多辐板轮盘结构还有利于增强轮缘弯曲刚度.      

轮缘封严气流与主流干涉的损失机理研究

为了研究涡轮转静盘腔中轮缘封严气流与主流干涉的损失机理,在有无封严气流工况下就轮缘封严气流与主流干涉的损失机制和分解量化方法进行了研究。结果表明,轮缘封严气流与主流干涉存在四种损失机制：粘性剪切损失、堵塞效应损失、二次流交互作用损失以及第二级静子的附加损失。设计工况下粘性剪切损失的比例为67.68%,而其他三种损失的比例相当。随着封严流量增加,封严出流的流量和径向速度不断增加而周向速度不断减小,造成四种损失都不断增加。相对于设计工况,每1%封严流量使得总损失平均增加约为104.25%。所建立的损失量化体系准确的捕捉到了转子堵塞效应损失和二次流交互作用损失不断增加的分布,证明损失量化体系是可行和有效的。     

航空发动机齿轮副动态啮合过程与齿根裂纹扩展轨迹影响因素研究

为了研究航空发动机中附件齿轮箱中的一对齿轮副在动态啮合过程中的响应特性和齿根裂纹的扩展对齿轮系统的影响,利用有限元仿真分析法,基于显示动力学和线弹性断裂力学研究了该齿轮副动态啮合过程和齿根裂纹扩展轨迹影响因素。含有齿根裂纹的齿轮在啮合过程会产生额外的振动和噪声,会引起转速、啮合力、啮合频率、接触应力产生较大波动;齿根裂纹的扩展轨迹不同会导致齿轮系统两种典型的失效模式:轮缘断裂失效或齿断裂失效,发生轮缘断裂的可能性受到轮缘厚度与齿高比值和裂纹初始位置的影响,会随着该比值的减少和初始裂纹位置沿着齿根方向下移而增大,初始裂纹方向对裂纹扩展轨迹影响很小可以忽略。研究成果在工程中可以为齿轮结构的故障监测和结构设计提供参考。     

轮缘封严气流与主流干涉的损失机理研究

为了研究涡轮转静盘腔中轮缘封严气流与主流干涉的损失机理,开展了在有无封严气流工况下轮缘封严气流与主流干涉的损失机制和分解量化方法研究。结果表明,轮缘封严气流与主流干涉存在四种损失机制:粘性剪切损失、堵塞效应损失、二次流交互作用损失以及第二级静子的附加损失。设计工况下粘性剪切损失的比例为67.68%,而其它三种损失的比例相当。随着封严流量增大,封严出流的流量和径向速度不断增大而周向速度不断减小,造成四种损失都不断增大。相对于设计工况,每1%封严流量使得总损失平均增大约为104.25%。所建立的损失量化体系准确地捕捉到了转子堵塞效应损失和二次流交互作用损失不断增大的分布,证明损失量化体系是可行和有效的。     

航空发动机涡轮盘轮缘凸块塑性变形失效分析

针对某航空发动机在工作过程中发生的涡轮盘轮缘凸块局部异常塑性变形故障,对故障涡轮盘进行失效分析。在此基 础上,通过开展无应力及附加应力的加热模拟试验,总结了GH4169合金组织中δ相的3种析出形貌,以及加热温度、时间、应力3种因素对δ相析出的影响规律。通过对比硬度测试及温色试验结果,明确了GH4169合金试样在700 ℃以下组织和硬度无明显变化,但颜色变化明显;在700 ℃以上,随着δ相析出量的增加其硬度不断减小,而颜色却几乎无变化。结果表明：故障涡轮盘轮缘凸块部位的塑性变形是由于发动机工作过程中超温引起的,故障部位的实际工况达到了约750 ℃、100 h左右的超温。落实改善涡轮盘轮缘的冷却环境、提高涡轮部件加工及装配精度的改进措施后,涡轮盘通过了首翻期加速模拟、经起飞状态摸底和适航状态长时试车验证,无类似故障再次发生。     

受涡轮动、静叶片影响的轴向轮缘密封非定常封严特性研究

为探究受涡轮动、静叶片单独及共同作用下的轮缘密封结构封严与入侵的精细流动机理,通过SST湍流模型,对处于无叶片、仅存在动叶、仅存在静叶、动静叶均存在的4个不同环境中的典型轴向密封结构进行非定常数值模拟.结果表明:动、静叶片通过改变轮缘密封间隙出口处高、低压区之间的面积与压差,和增加间隙内的再循环及泰勒-库特型流动强度,...     

1.5级涡轮前后轮缘密封封严流动特性研究

为了研究前后腔轮缘密封封严特性和封严出流与主流的交互作用,对转静叶片之间带有前后封严腔的1.5级涡轮进行了三维定常数值模拟,研究了不同封严流量下前后封严腔出口处流场分布并采用附加变量法对比分析了前后腔轮缘密封效率。结果表明：前封严腔主流燃气入侵位置主要受到来自上游导叶尾迹的影响,后封严腔主流燃气入侵位置主要受到下游导叶前缘位势场影响;封严出流影响了20%叶高以下的主流区域,增大了轮毂二次流强度;采用相同封严流量下时前封严腔的封严效率较后腔更低且有着更大的封严效率波动。     

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。