叶尖间隙对涡轮气动性能影响的试验研究

叶尖间隙对涡轮气动性能有较大影响,控制叶尖间隙可以提高涡轮的气动性能.通过在中国燃气涡轮研究院涡轮综合试验器上进行的两次变叶尖间隙对涡轮性能影响的试验研究,找出了叶尖间隙对涡轮气动性能影响的部分规律,对涡轮叶尖间隙的设计具有一定的参考价值.     

叶尖间隙对涡轮性能影响的计算与试验研究

采用电容型叶尖间隙测量系统,在国内首次对单级涡轮级性能试验状态下的转子叶尖间隙进行了实时测量,并利用获得的叶尖间隙热态试验数据,完善了涡轮转子叶尖间隙计算方法。同时,开展了变叶尖间隙的涡轮级性能试验,总结了叶尖间隙对涡轮性能的影响规律。另外,还对试验方案进行了数值模拟,并与试验结果进行对比分析,进一步研究了叶尖间隙对涡轮性能的影响。结果表明,电容型叶尖间隙测量系统具有较高的准确性,利用该系统有助于掌握叶尖间隙真实变化规律,提高试验安全;通过对叶尖间隙实时测量,可正确评估涡轮性能随叶尖间隙的变化规律,具有较高的工程应用价值。     

叶尖间隙对涡轮性能影响的试验研究

为了获取叶尖间隙对涡轮性能的影响规律,通过对某型发动机高压涡轮第1、2 级叶尖间隙的主动调控,进行叶尖间隙 对涡轮性能影响的试验研究。采用精密传感器对叶尖间隙进行测量,通过试验得到不同叶尖间隙下涡轮效率、换算流量、换算功以 及出口流场的变化数据。结果表明：第1、2 级叶尖间隙每增大1%,涡轮效率约降低0.58%～0.69%;存在1 个叶尖间隙变化对涡轮效 率影响较明显的敏感区;叶尖间隙变化对叶尖出口流场有明显影响。     

高反力度涡轮转子叶尖间隙对涡轮性能的影响

采用中温模拟级性能试验器,试验研究了高反力度涡轮转子叶尖间隙对涡轮级性能的影响,获得了转子叶尖间隙对涡轮级性能的影响规律。通过对试验方案进行数值计算分析,并与试验结果进行对比,验证了数值计算分析方法的合理性。研究结果表明,当涡轮级反力度较高时,随着相对叶尖间隙的减小,其对涡轮性能的影响越来越明显;转子叶尖间隙变化对导向器喉部流通能力也会产生一定影响。     

涡轮转子H形叶片叶尖间隙测量

叶尖间隙是燃气轮机中的一个重要性能参数和安全监测参数。现代燃气轮机中采用H形凹腔冷却涡轮叶片,该叶片具有单叶片双间隙的特点。利用电容式叶尖间隙测量系统,通过改进算法,实现了H形叶片的叶尖间隙测量,并成功应用于H形叶片涡轮级性能试验。试验录取了三种不同设计间隙下的实际叶尖间隙变化数据,分析了叶尖间隙与涡轮性能之间的关系,并对试验中的转子异常运动进行了成功监测。     

考虑主动间隙控制的涡轮叶尖间隙建模计算研究

建立了具有涡轮叶尖间隙计算功能的发动机实时模型并设计了主动间隙控制系统,以反映涡轮叶尖间隙控制对发动机动、静态性能的影响。提出以半无限平面瞬态热传导与多项式拟合相结合的方法,更准确计算发动机动态过程中变化的叶尖间隙;基于涡轮叶尖间隙的变化量和涡轮性能参数的关系实时修正当前涡轮性能参数,提高了常规发动机部件级模型的计算准确度,且涡轮叶尖间隙每减少0.25mm,涡轮效率提高1%,耗油率下降1%;在分析气冷式主动间隙控制系统的基础上,设计了一种可以控制叶尖间隙变化的机械式主动间隙控制系统,使动态过程中变化的叶尖间隙始终处于指令间隙。通过对发动机地面加速过渡过程和巡航减速过渡过程的仿真,验证了上述方案的有效性。     

一种涡轮叶尖间隙控制技术

基于涡轮叶尖间隙的变化机理,设计了一种冷气自动调节机构,该机构无需其他外界动力,可根据工况的变化而自动调节冷气限流嘴的节流面积,控制涡轮外环冷气量,以控制涡轮外环的直径,从而有效控制涡轮叶尖间隙的变化趋势,维持涡轮叶尖间隙在合理范围.对3个不同工况涡轮采用与未采用涡轮叶尖间隙控制机构分别进行了计算,结果表明:采用涡轮叶尖间隙控制机构的涡轮叶尖间隙随工况变化的变化率为6.5%,未采用涡轮叶尖间隙控制机构的涡轮叶尖间隙随工况变化的变化率为20%.因此,采用该机构可以达到控制涡轮叶尖间隙变化的目的.      

涡轮流体介电常数对高压涡轮叶尖间隙测量影响计算分析

为了评价涡轮流体介电常数对电容式高压涡轮叶尖间隙测量精度的影响，通过理论分析获得航空发动机涡轮流体介质 的成分，并计算各成分的体积分数。由于水蒸气的体积分数对涡轮流体介电常数影响较大，仿真计算了不同工况和不同水蒸气体积 分数下涡轮流体介电常数的变化范围，在此基础上计算了涡轮流体介电常数对涡轮叶尖间隙测量误差的影响。计算结果表明：涡轮 流体介电常数对涡轮叶尖间隙测量带来的误差最高为0.3%，在工程应用时可以忽略。     

涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙变化特性分析

为了分析涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙动态变化特性,以3维叶尖间隙动态测量试验台上的模拟涡轮转子为研究 对象,建立了涡轮叶片3维叶尖间隙的有限元分析模型;采用数值仿真分析方法分别深入地分析了无裂纹涡轮叶片和不同长度裂 纹叶片3维叶尖间隙的动态变化特性。结果表明：对于无裂纹涡轮叶片,气动载荷会导致其发生弯曲变形,进而,导致轴向偏转角 呈先增大后减小的变化趋势,周向滑移角则逐渐减小,并且气动载荷对轴向偏转角和周向滑移角的影响比对径向间隙的影响更为 显著;对于有裂纹涡轮叶片,在气动载荷、离心载荷、叶片尾缘裂纹故障以及叶片自身形态等多种因素的共同影响下,导致径向间 隙呈现逐渐增大,而轴向偏转角和周向滑移角均呈现逐渐减小的变化趋势。     

叶尖粗糙度与倾角对光纤传感器输出特性影响

航空发动机涡轮叶片叶尖间隙变化影响发动机效率也蕴含丰富的发动机健康状态信息。实际叶尖间隙变化表现为3维变化,且叶尖表面受高温气流剥蚀等影响表面粗糙度发生变化。为探究其对光纤传感器测量叶尖间隙精度的影响,利用ZEMAX光学仿真软件分析了双圈同轴式光纤传感器在叶尖表面粗糙度变化和倾角变化影响下的输出特性,并搭建3维叶尖间隙静态标定平台对上述影响进行试验。结果表明:粗糙度和倾角增大均导致传感器灵敏度降低、零点位置后移。该结果为实现叶尖间隙变化的3维精确测量提供理论和试验依据。     

叶尖间隙高度对某高压涡轮级损失分布的影响

利用三维湍流数值模拟方法模拟某一级跨声速高压涡轮流场,研究转子叶片叶尖间隙高度对涡轮性能及二次流动损失分布的影响.研究结果表明:转子叶尖间隙高度对涡轮性能影响明显,随着间隙高度的增加涡轮效率明显降低,但效率的降低速度与间隙高度并非简单线性关系,间隙高度增加1%相对叶高,涡轮性能最快下降1.8%.分析表明:涡轮转子间隙高度变化主要影响转子叶栅通道上部流动并对通道内的损失分布产生影响.其中损失最严重的区域为转子通道中部至叶片尾缘处;尾缘后的损失则对间隙的高度最敏感,随着间隙高度的增加,叶片尾缘后损失明显增加.      

雷诺数对涡轮叶尖流场影响的数值研究

采用基于压力修正的三维计算流体力学程序，结合雷诺应力湍流模型和剪切应力传输湍流模型加壁面函数的方法，对某一轴流涡轮转子叶尖间隙流场进行了数值计算研究，详细计算了不同涡轮叶尖间隙高度和来流湍流度条件下雷诺数对涡轮转子间隙流场的影响，最后计算了转子效率。结果表明：当泄漏流流经叶尖时因为叶尖剪切力做功有块总压增大区；雷诺数带来的影响比湍流度和叶尖间隙高度带来的影响要大，湍流度的变化对流场影响不大；雷诺数对泄漏涡尺寸的影响不大，但低雷诺数会引起流动分离，带来损失，当雷诺数在文中的范围内变化时，效率下降近八个百分点。     

Control of squealer-tip leakage flow with perforated-rib coolant injection in an axial turbine cascade

A novel perforated-rib configuration is proposed for controlling the tip leakage flow at the rotor tip of an axial turbine. Three perforated-rib layouts are considered, wherein a perforated rib is installed at (A) the Suction-Side squealer (SS-rib), (B) the Pressure-Side squealer (PS-rib), and (C) the additional squealer along the blade Camber Line (CL-rib). A numerical method is used to show how the novel rib layouts affect the aerodynamic performance of the tip leakage flow. Results show that the coolant jets issuing from the perforated-rib injection holes penetrate deeper into the tip clearance than those in the baseline squealer-tip case, and how the perforated-rib coolant injection affects the tip leakage flow depends strongly on the rib layout. The PS-rib and CL-rib layouts appear promising for controlling the tip leakage flow, playing a significant role in reducing the total pressure loss and improving the turbine blade’s isentropic efficiency. In particular, under an injection mass flow ratio of 1% and a tip clearance of 1% blade span, the PS-rib layout reduces the leakage mass flow rate by 27% and increases the isentropic efficiency by 1.25% compared with those in the baseline squealer-tip case. Meanwhile, the advantages of the PS-rib layout in tip leakage control are confirmed under small and large tip clearances.     

间隙高度对某涡轮叶尖间隙泄漏流影响的研究

利用三维湍流数值模拟方法模拟某跨声速高压涡轮流场,研究了转子叶尖间隙高度对涡轮转子间隙泄漏流动的影响,详细描述了间隙流动结构随间隙高度的变化情况。研究结果表明:随着间隙高度的增加,间隙泄漏流流量线性增加,并导致转子叶尖附近流体偏转角度减小。间隙高度每增加1%相对叶高,间隙泄漏流量占总流量的比例约增加2.1%。间隙高度变化对间隙内部流动的影响明显:当间隙比较小时,随着间隙高度的增加,分离泡的大小迅速增加,回流区域减小。随着间隙高度的增加,间隙泄漏涡尺度迅速增加,同时由于泄漏流中高速流体流量增加,通道涡远离叶片吸力面并向靠近机匣的方向移动,泄漏涡也向远离吸力面方向运动。     

轴向间距对压气机通道堵塞及总性能的影响

为了研究转静子叶片排之间的轴向间距对压气机内部流动堵塞及气动性能的影响,选取某单级轴流压气机为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其5种不同轴向间距下的内部流场进行了全三维数值模拟。结果表明:在每一种轴向间距下,当压气机节流至某一工况之后,压气机通道内的流动堵塞区主要集中在转子叶顶间隙区域和动叶吸力面尾缘附近以及静叶吸力面轮毂角区内;在同一流量下,随着轴向间距的减小,转子叶根吸力面尾缘处的流动堵塞区有所扩大,但转子叶顶间隙区域及静叶吸力面轮毂角区内的流动堵塞区体积却不断减小,压气机通道内回流区的总体积也随之减小,其结果是压气机的静压升能力和流动稳定性增强且效率增大。通过进一步研究发现:在同一流量下,当轴向间距减小时,转子叶顶间隙区域内的主流轴向动量增大且泄漏流的轴向动量减小,其结果是转子叶顶间隙区域内流动堵塞区的体积减小。     

轴流压气机转子尖部三维复杂流动Ⅱ——数值模拟研究

在实验研究和理论分析的基础上,对亚声速压气机转子尖部复杂流动做了数值模拟研究,旨在进一步深入研究叶尖间隙和进口总压分布对转子叶尖复杂流动的影响。首先通过对与实验条件相同的转子尖部复杂流动的数值模拟研究,校验了数值模拟结果,并分析了转子尖部复杂流动速度场、压力场和涡量场分布特性。然后通过改变叶尖间隙尺度和进口总压分布,研究了二者对近叶尖复杂流动的影响。研究结果表明:当叶尖间隙小于1%叶片弦长时角区旋涡的发展是导致转子失速的关键;而当叶尖间隙大于2%叶片弦长时叶尖泄漏涡的发展是导致转子失速的关键;改变进口总压分布可以合理地组织转子尖部流动并扩大转子工作裕度。此外,通过观测近叶片吸力面二维涡线的发展趋势可以判断叶尖复杂流动的发展状态。     

叶尖间隙泄漏对厘米级高亚声微型轴流涡轮性能的影响

针对某微型涡轮发动机(MTE)原理样机的直径为78.4mm的微型轴流涡轮,采用数值模拟手段研究了叶尖间隙泄漏对该厘米级高亚声微型轴流涡轮流场结构及涡轮性能的影响.结果表明:微型轴流涡轮相对叶尖间隙尺寸在3.1%~4.6%,明显高于常规轴流涡轮;微型轴流涡轮叶尖间隙泄漏涡影响范围较常规轴流涡轮扩大(至叶中高度),泄漏损失占涡轮级总损失的35%,也较常规轴流涡轮明显增大.研究获得了间隙尺寸对该厘米级高亚声微型轴流涡轮性能的影响规律,叶尖相对间隙尺寸每增加1%叶高,效率最快下降1.9%,其变化幅度较常规轴流涡轮更为明显.最后,根据工程安装的限制(离心力变形及热变形、轴承游隙、加工装配误差等),确定了一个较优的叶尖间隙(0.4mm),通过数值模拟获得了在该间隙下的涡轮性能参数:落压比为2.12,效率为0.87,流量为0.35kg/s.      

叶顶间隙和减振阻尼台对多级轴流压气机性能影响的数值模拟

以某多级轴流压气机为研究对象,采用数值模拟的方法研究了叶顶间隙和减振阻尼台对压气机气动性能的影响。研究揭示了叶顶间隙变化对叶顶泄漏流动的影响规律,分析了各级转子叶顶间隙变化对多级轴流压气机性能影响的相对大小。研究发现针对所研究的多级轴流压气机,第5级转子叶顶间隙的变化对压气机性能的影响幅度最大,当叶顶间隙从0.390 mm增加到1.007 mm时,级效率下降了1.72%;而其他级的效率下降幅度较少,最大降幅不超过0.6%。此外,研究了第1级及第5级转子叶片阻尼台对多级压气机性能影响,分析了阻尼台对流场结构及流通能力的影响,揭示了阻尼台影响性能的机理。研究结果表明,当存在阻尼台时,多级轴流压气机的峰值效率、峰值压比以及堵塞质量流量都会下降,其中峰值效率下降了1.6%,峰值压比下降了1.2%,堵塞质量流量下降了1.2%;尤其是第1级和第5级效率明显下降,第1级级效率下降约5.2%,第5级级效率下降约1.6%。在阻尼台存在的地方总压损失大,密流值会降低,流通能力会下降。     

机匣相对转动对涡轮叶顶间隙流动的影响

机匣与叶片的相对转动是影响涡轮叶顶间隙流动的重要因素之一。对LISA 1.5级轴流涡轮内三维流动的数值计算结果表明:当叶片静止时,叶片顶部压力面静压增加,叶片顶部载荷增大。通过间隙的流量增加,同时吸力面侧在叶片前缘、叶片中部各形成一个间隙涡。叶片前缘间隙涡会迅速耗散,同时使得叶片中部形成的间隙涡维持在吸力边附近,上通道涡被排挤到间隙涡下方,导致动叶出口截面上、下通道涡形成的高损失区合并,影响范围增大。     

轴流压气机转子叶尖间隙流动结构的数值研究

为进一步加深对轴流压气机转子叶尖间隙内泄漏流/涡流动结构的认识,针对某台用于高压压气机低速模拟的四级重复级大尺度轴流压气机上的转子,采用定常数值方法开展了详细的研究。首先用已有的试验结果校核了计算方法的可靠性,随后研究了设计点工况下端区复杂流动结构和流动损失的机理,最后比较了无叶尖间隙和不同叶尖间隙大小的轴流压气机转子端区流动结构的差别,以及设计点和近失速情况下叶尖泄漏涡结构、泄漏流/主流交界面、端壁堵塞以及端壁损失的区别。结果表明,在62.5%间隙高度以下的叶尖区域内,从前缘叶尖间隙流出的流体会卷吸成叶尖泄漏涡,且随间隙高度的增加其占据的叶尖泄漏涡的位置由内而外;而在62.5%间隙高度以上,从转子前缘间隙内流出的流体不会卷吸成叶尖泄漏涡,随间隙高度的增加流动受叶尖泄漏涡的影响越来越小,更易出现二次及多次泄漏,且所占据的弦长范围也更宽广;设计状态下,叶尖泄漏涡在向下游发展的过程中会逐步膨胀,并与主流强烈掺混,无量纲流向涡量迅速减小,但无量纲螺旋度值显示其仍能保持集中涡的特征。