雷诺数对高负荷低压涡轮叶栅流动损失的不确定性影响

高空巡航时高负荷低压涡轮(LPT)雷诺数较低,在逆压梯度作用下叶背极易发生层流分离转捩并恶化LPT的气动性能。重点开展雷诺数扰动对高负荷LPT流动损失的不确定性影响研究。首先通过求解■模型方程对高负荷LPT叶栅进行数值模拟,通过精度分析及对比评估数值模拟的可靠性。之后分析不同湍流度条件下雷诺数对动能损失系数(KELC)的影响并建立KELC的自适应响应模型,计算KELC的统计均值、标准差等并对比分析KELC的不确定性影响规律。最后开展基于蒙特卡罗模拟的流场统计研究,通过分析雷诺数扰动对流动分离和转捩的影响,揭示雷诺数对高负荷LPT流动损失不确定性变化的作用机制。     

叶片前缘改型对涡轮叶栅二次流的影响

以某典型高压涡轮叶栅为研究对象,采用数值模拟的方法对比分析了两种端壁前缘改型结构对涡轮叶栅二次流产生的影响。结果表明,带状结构(Fillet)以及适当尺寸的球形结构(Bulb)可以改善涡轮叶栅内部二次流,并且降低涡轮出口气动损失。其中尺寸的选择对于球形结构(Bulb)影响很大。两种不同的改型结构相比较,带状结构(Fillet)改型方案对二次流的改善效果较为明显,结果更为理想。     

涡轮叶栅前缘气膜冷却数值模拟

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式及多区网格技术,对某型前缘带有两排冷气孔的涡轮叶栅的气膜冷却流场进行了全三维N-S方程数值求解,分析了在前缘滞止区域附近两排孔的冷气射流各自的运动规律、温度分布以及不同吹风比情况下前缘区域气膜冷却绝热效率的分布特点。结果表明,冷气孔的位置、排列方式以及冷气喷射率的变化对叶片前缘区域的绝热效率分布的影响是非常明显的。      

叶片前缘形状对涡轮气动性能的影响

采用Bezier曲线控制涡轮叶片前缘形状由圆弧形改为非圆弧形,用数值计算方法研究涡轮叶片前缘形状对其气动性能影响.首先以基元叶型为研究基础,数值模拟分析、比较不同基元叶型前缘形状在不同攻角下对涡轮叶栅性能影响.对于正常运行的攻角范围(-15°~+10°),由于非圆弧形前缘表面曲率半径增大较缓,减小了前缘表面流动的法向压力梯度,抑制过度膨胀,减小由摩擦力引起的能量耗散,损失减小,且非圆弧形曲率半径越大,提高性能效果相对越好.而在非设计工况的大攻角条件下,前缘曲率半径缓慢增大将导致叶型分离更严重,损失相对增加.其次以某5级低压涡轮作为验证实例,数值研究分析认为,非圆弧形前缘形状可改善叶片前缘流动特性,提高涡轮效率,但对于远离设计点的非设计工况,由于气流攻角的大幅度改变,会带来涡轮气动性能的负面影响.      

尾迹对低压涡轮边界层稳定性的影响

在低压涡轮内部上游周期性扫过的尾迹是下游叶片排内最重要的非定常扰动源,会对边界层的失稳和转捩过程产生决定性的影响.在施加低压涡轮负荷分布的平板上,采用热线对雷诺数为130000工况下,有/无尾迹作用时分离剪切层中的速度波动进行了测量.通过对比两种工况下分离剪切层中的扰动发展,分析了尾迹对分离泡稳定性的影响.结果表明:在无尾迹来流工况下,扰动在分离泡前部的增长符合线性不稳定机制,扰动增长至饱和后非线性机制开始起作用.主导分离剪切层的失稳过程的为K-H(Kelvin-Helmholtz)无黏不稳定机制.尾迹与分离剪切层的相互作用产生的扰动的增长在分离泡前部同样满足线性不稳定机制.尾迹加速了分离剪切层的失稳转捩进程,从而抑制了分离.      

CST造型方法在涡轮叶片前缘修型中的应用研究

为了探究CST (形状函数变换技术)造型方法在涡轮叶片前缘修型中的应用效果,完善了CST方法在前缘型线重构中的实施细节,数值模拟了雷诺数对前缘修型前后叶型损失及边界层特性的影响,验证了CST前缘修型方法在新型高速飞行器低压涡轮中的实用性。结果显示:CST方法前缘修型可以消除HD叶型吸力侧前缘的压力峰和分离泡,从而使得高雷诺数条件下吸力侧分离诱导的边界层转捩现象延迟发生,叶型损失降低32%,拓展了低损失状态的雷诺数范围。吸力侧损失的降低在低雷诺数条件下主要来自于前缘附近的剪切层,而高雷诺数条件下主要来自于前缘剪切层和扩压段前的层流边界层。新型高速空天飞行器低压涡轮叶片采用CST前缘修型对提升效率是有效的,在设计点状态附近效率提高0.1%,而膨胀比较低的大负攻角状态下效率提升0.3%～0.5%,损失降低的位置主要集中在叶展中部压力侧边界层和根部的二次流区域。     

尾迹与涡轮叶栅边界层的相互作用

通过实验和数值模拟的手段研究了尾迹与边界层的相互作用,其中上游叶排尾迹的模拟是通过在涡轮叶栅前设置周期性运动的圆柱实现的.研究表明,上游尾迹对涡轮叶栅边界层的发展有显著影响,在其作用下,吸力面边界层提前转捩,分离得到明显的抑制,利用尾迹与边界层相互作用的非定常效应可以明显提高低压涡轮叶栅气动负荷.      

基于Gurney襟翼的低压涡轮叶栅流动控制实验

研究了在PAK-B低压涡轮叶片压力面尾缘加装不同Gurney襟翼在不同流动状态下对流动的控制影响.结果表明,Gurney襟翼能够有效减小PAK-B叶型失速流动状态下的损失.在进口Re=23 000,Ma=0.021,FSTI=1%状态下,加装高度为1%弦长的圆形襟翼后总压损失系数减小29%左右,气流转折角增大3.12%左右,同时影响使主流流量减少5%左右;该襟翼使吸力面边界层分离及重附的位置延后,使尾迹区减小,从而减少流动损失.      

亚声速涡轮导叶前缘气膜冷却特性实验研究

为了获得亚声速涡轮导叶的前缘气膜冷却特性,在短周期高速风洞中对涡轮导叶前缘后倾扩张型孔气膜冷却试验件进行了实验,获得了涡轮叶片表面在不同主流雷诺数(Re=3.0×10~5～9.0×10~5)、二次流吹风比(M=0.5～2.4)和主流湍流度(Tu=1.3%,14.7%)下的气膜冷却效率和换热系数分布。实验叶片前缘有8排后倾扩张型气膜孔形成前缘喷淋冷却结构。结果表明:叶片前缘和压力面冷却效率随着吹风比的增大而升高,吸力面冷却效率随着吹风比的增大先升高后降低,最佳吹风比为0.8;在主流雷诺数(Re=3.0×10~5～9.0×105),改变雷诺数对叶片表面冷却效率的分布规律影响较小;叶片表面冷却效率随着湍流度的升高而降低,在小吹风比M=0.5下,高主流湍流度下的平均冷却效率降低50%左右,在M=2.4工况下,高湍流度下的平均冷却效率降低10%左右;叶片前缘冷气出流区域和压力面相对弧长为-0.4S/Smax-0.3的冷气重新贴附壁面区域换热系数比较高;高主流湍流度下,换热系数比较小,且吹风比变化对换热系数比的影响较小。     

低雷诺数下涡轮叶栅流动分离实验与数值模拟

应用实验测量和数值模拟相结合的方法,研究了低雷诺数条件下高负荷涡轮叶栅吸力面的流动分离。通过对叶片表面压力系数、叶栅出口尾迹以及叶片表面气流分离位置和重新附着位置的比较发现,计算结果与实验结果吻合得相当好。应用本计算方法,对低雷诺数条件下雷诺数和来流湍流度对涡轮叶栅的流场的影响作了准确的模拟,对叶栅吸力面的气流分离、再附等做出了预测。实验研究和计算结果都表明,低雷诺数条件下叶栅损失的急剧增大是由于在低雷诺数条件下叶片吸力面发生了气流的分离,雷诺数越低或者进口湍流度越低,叶片吸力面的气流分离就越严重,由此导致的叶栅损失也就越大。     

旋转对弯扭涡轮叶片前缘气膜冷却的影响

基于热色液晶(TLC)测温技术,开展了转速(攻角)和吹风比对弯扭涡轮叶片前缘区域气膜冷却效率分布影响的实验研究。实验中涡轮转速分别为400 r/min(正攻角)、550 r/min(零攻角)和700 r/min(负攻角),平均吹风比为0.5~1.25。冷却工质采用氮气,对应的射流-主流密度比为1.04。基于涡轮动叶弦长的涡轮出口主流雷诺数为60 800。实验结果表明:转速是决定涡轮叶片前缘气膜冷却效率分布最重要的参数之一。随着转速的增大,滞止线的位置会从压力侧(PS)移动到吸力侧(SS)。当吹风比相同时,面平均气膜冷却效率随转速的增大而逐渐增大;当转速相同时,面平均气膜冷却效率随吹风比的增大而增大。      

前缘锯齿对边界层不稳定噪声的影响

为探索仿生学前缘锯齿结构的降噪规律,试验研究了低雷诺数到中等雷诺数（Re=（2~8）×10⁵）不同攻角状态下9种前缘锯齿结构对叶片层流边界层不稳定噪声的影响。研究表明：前缘锯齿可以减弱甚至完全抑制边界层不稳定噪声,降噪效果对锯齿振幅和锯齿波长均比较敏感,锯齿振幅越大、波长越小,降噪效果越好,降噪量可达30 dB;前缘锯齿结构可以诱导产生流向涡,影响叶片下游边界层流动,破坏声学反馈回路;前缘锯齿对边界层不稳定噪声峰值频率没有影响。     

带前缘涡轮动叶内冷通道流动换热数值模拟

在静止条件下,通过数值模拟的方法对接近真实的带前缘涡轮工作叶片腔模型内的流动与换热进行了分析.结果表明:腔内斜肋引发的三维涡对换热产生了巨大的影响,在一倍肋高范围内, Y-Z 和 X-Y 平面上都出现了肋后涡,使得此处传热系数降低;在 X-Z 平面上,第2通道产生一对方向相反的涡,第3通道只产生一个涡.两个通道中的涡都占据整个横截面,这些涡增加了通道流阻.冲击和气膜流动主导了前缘通道内的换热,冲击产生的一对涡加强了流动掺混,促进了前缘吸、压力面上的换热,而高速的气膜出流推动了这一过程.相同流量工况下,第2通道带肋表面的平均换热和局部换热都是最好的,而光滑的第1通道总压降最小,综合换热性能在各个通道中最高.随着雷诺数的增加,各通道吸、压力面的局部换热和平均换热都增强,但压降系数变化不大.      

前缘侵蚀对风扇转子叶片气动特性的影响机理

以某小型大涵道比涡扇发动机风扇转子作为研究目标,数值模拟了航空发动机风扇转子叶片在航线运行过程中受到侵蚀效应后的气动特性衰变情况,为后续的精细化维修奠定理论基础。风扇转子叶片侵蚀后,叶片前缘将逐步蜕变为钝头叶型并且伴随有明显的表面粗糙度。为了简化研究,假设侵蚀后的转子叶片前缘粗糙度均匀分布,分别计算了前缘粗糙度为120 μm、250 μm两种前缘侵蚀程度下的风扇转子特性。研究结果表明,风扇转子峰值效率相比于原型叶片依次下降了1.63%和2.39%。当前缘粗糙度为250 μm时,风扇转子叶片吸力面前缘近壁面极限流线有分离迹线产生,出口平均马赫数下降2.03%。     

仿生正弦前缘对翼面动态失速的影响

动态失速导致叶片气动载荷急剧变化,造成振动载荷激增,桨叶寿命大幅衰减。针对动态失速问题,从座头鲸胸鳍在动态倾转下取得良好的流动特性获得启示,据此模化出仿生正弦前缘翼面（包含3种波峰和2种波长）,旨在实现动态失速控制。借助三维非定常数值模拟方法,采用运动网格技术,基于SC1095旋翼翼型,研究了仿生前缘动态失速流动控制机理及运动参数和来流速度的影响。结果表明：正弦前缘大幅度降低俯仰力矩系数峰值和阻力系数峰值;前缘波峰越大、波长越小,阻力系数峰值与俯仰力矩系数峰值的抑制效果越明显,虽然升力系数峰值减小,但其减小量远小于前两者,例如其中一种仿生翼使俯仰力矩系数峰值减小了47.7%,阻力系数峰值减小了36.4%,升力系数峰值减小14.1%;在最大迎角附近,正弦前缘能够缓和失速特性,使载荷变化更为平缓;在高平均迎角、低俯仰频率、低马赫数下,仿生翼动态失速控制效果更强,相比较而言迎角振幅的影响较小。     

跨声叶栅角区激波/附面层干扰的开槽控制措施

提出了使用叶根槽作为一种被动控制手段来控制跨声叶栅的角区分离问题.在压力面与吸力面的压差作用下,叶根槽可产生自发射流,为叶栅吸力面侧角区注入高能流体,从而控制跨声叶栅的角区分离问题.通过数值模拟的方法分析了在不同攻角下叶根槽对压气机叶栅性能的影响及作用机理.结果 表明:在小攻角下,叶根槽射流可破坏角区环形涡,从而有效减...     

不同攻角对涡轮叶栅损失的影响

应用基于压力修正的三维计算流体动力学(CFD)程序,通过改变进口攻角,对不同工况下的涡轮叶栅流场进行了数值模拟.并结合CFD模拟结果,应用较合理的损失分离方法,对比分析了三种常用的变工况涡轮损失预测模型.结果表明:在正攻角情况下,随着攻角的增加,涡轮叶栅总压损失显著增加;在负攻角情况下,随着攻角的增加,涡轮叶栅总压损失则有种先减小后增大的趋势,但变化范围不大.而对于三种变工况涡轮损失预测模型来说,虽能基本上反映出涡轮损失随攻角的变化趋势,但预测结果差别很大.