涡轮间隙泄漏涡破碎对损失的影响

采用数值方法联合标准k-ω两方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,研究了不同间隙高度下GE-E³（Energy Efficient Engine）涡轮第一级动叶顶部间隙泄漏涡（TLV）的破碎特性及其对泄漏损失的影响。首先描述了泄漏涡的破碎现象,并对其动力学特性进行了理论分析,接着研究了间隙高度对泄漏涡结构及破碎特性的影响,最后对泄漏涡破碎与损失的关系进行了探讨。研究结果表明：涡轮叶顶间隙泄漏涡具有不稳定特性,当泄漏涡具有足够的强度可以克服通道涡卷吸形成完整涡结构时,在叶片后半部分逆压区发生了涡破碎现象,带来了额外的涡破碎损失;间隙高度对泄漏涡破碎位置的影响比较明显,在大间隙下泄漏涡趋于相对稳定;叶顶泄漏流产生的掺混损失以泄漏涡的破碎为标志分为两个阶段,大量的掺混损失发生在泄漏涡破碎之后,这也是叶顶泄漏流产生损失的主要部分。     

高压涡轮转子间隙泄漏流动的非定常特征研究

利用数值方法求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程模拟某跨声速高压涡轮流场,研究了某跨声速高压涡轮流场的非定常特征,通过详细分析动静干涉对间隙泄漏流动的影响,进一步明确了泄漏流周期性变化的规律和成因.研究发现:静子尾缘燕尾波的外侧分支外尾波是间隙内部流动结构变化的主要原因,间隙泄漏涡的周期性变化则受外尾波和尾迹的共同影响.外尾波深入转子通道内部周期性经过间隙,在间隙前缘附近产生很强的逆压梯度,使间隙前部流动方向明显改变而产生大范围分离.外尾波导致间隙泄漏流量明显增加并周期性震荡.在静子尾迹和外尾波共同作用下,泄漏涡强度出现波动且涡的位置前后移动,使泄漏涡呈现明显的非定常性.      

扩压叶栅叶尖非定常流动的涡动力学机理

为了揭示压气机叶尖区旋涡结构与流动非定常性之间的关联，采用URANS对一亚声速平面扩压叶栅在不同攻角下的流场进行了求解，并借助Q判据提取了叶尖瞬态涡系结构。结果表明：泄漏涡的破碎现象能够通过诱导新的涡结构间接作用于相邻通道的叶尖流动，是导致叶尖流场失稳的关键因素。在-0.3°和+0.7°攻角下，叶尖泄漏涡发生了螺旋破碎，并伴随有非定常诱导涡的出现，诱导涡对相邻叶片载荷的影响使得叶尖泄漏涡发生周期性摆动；在+1.7°攻角下，泄漏涡破碎会导致反流涡的形成，反流涡的输运会给叶片载荷和来流攻角带来非定常扰动，反过来又会作用于泄漏涡的破碎和反流涡的生成，最终表现为一种自维持的非定常流动现象。     

上游尾迹与涡轮转子泄漏流相互作用数值模拟

叶轮机内部流动本质上是周期性非定常的,研究涡轮转子叶尖区域的非定常相互作用机理,对提高小展弦比高负荷涡轮性能具有重要意义.利用数值模拟方法研究了上游静子尾迹与涡轮转子叶尖泄漏流的非定常相互作用,分析了定常结果、时间平均结果以及瞬时时刻结果的流动图画.结果表明:上游静子尾迹与涡轮转子尖区二次流的相互作用能明显影响泄漏涡和机匣通道涡的时空演化规律,从而改变转子尖区的损失分布.上游尾迹在转子通道中传播时,诱导泄漏涡和通道涡区域出现周期性的扰动涡对,扰动涡对沿着泄漏涡和通道涡的轨迹向下游运动,使得转子尖区二次流结构呈现周期性变化.      

压气机叶顶泄漏流振荡周向传播特性的数值模拟

通过对一低速轴流压气机转子的叶顶泄漏流的振荡特性进行数值研究,发现在大流量工况下,叶顶流场随时间不发生变化.随着流量减小,叶顶流场逐渐产生脉动,同时叶顶泄漏流发生周期性振荡,表现为叶顶泄漏涡的产生位置、涡结构形态及撞击在相邻叶片的位置随时间发生变化.叶顶泄漏涡及其导致的脱离涡会导致相邻叶片表面产生低压区,因此叶顶泄漏涡的振荡导致了叶片顶部压力分布的脉动,进而影响了相邻流道叶顶泄漏流的产生.这个叶顶泄漏流与相邻叶片的干涉作用是叶顶流场产生振荡的主要原因.而且,叶顶泄漏流在相邻流道间的振荡状态存在相位延迟,这导致了一个以非叶片数为周期的流动扰动结构绕转子旋转.      

大扩张角涡轮过渡段非定常流动数值仿真

为进一步减小涡轮过渡段流动损失,深入了解涡轮过渡段中的非定常损失机理,开展了大扩张角过渡段研究。在过渡段的非定常流动机理研究中,过渡段进口流场的最显著特点是:转子泄漏涡、通道涡和尾迹。采用数值方法对大扩张角涡轮过渡段进行3维非定常数值仿真。结果表明:支板尾缘部分的静压波动小于支板前缘部分的;高压涡轮静子尾迹被转子切割后进入转子通道中向下游传播并在过渡段内形成尾迹通道,尾迹在过渡段内的时空演化是过渡段内损失的主要来源;过渡段支板表面负荷分布发生明显的周期性变化,支板表面承受较强的非定常力,在过渡段设计中必须考虑。     

高负荷涡轮端区非定常流动相互作用研究

采用三维黏性非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮端区非定常流动相互作用,着重研究了上游静子尾迹与转子二次流的非定常作用机制,同时还分析了负荷分布、激波等对端区非定常流动的影响。结果表明,静子尾迹的非定常作用一定程度减小了转子轮毂二次流的径向涡量;尾迹对流向涡量的影响取决于尾迹沿叶高的分布,当吸力面一侧的尾迹具有与二次流方向相反的流向涡量时,二次流的流向涡量减小;非定常效应还使得转子叶片根部负荷略为减小,也一定程度上抑制了转子轮毂二次流的发展。此外,受静子尾缘激波的影响,转子叶片表面负荷分布发生明显的周期性变化,导致叶片表面承受较强的非定常力,在涡轮设计中必须考虑。另外,通过计算涡轮级中的熵增和熵产,定量地分析了端区非定常相互作用产生的损失,并得到了一些有意义的结论。     

低速轴流涡轮转静子干涉的非定常数值模拟

低速涡轮内部流动在低雷诺数进口条件下可能涉及流态转变,增加了流动的复杂性。为了分析低速涡轮在低雷诺数下的三维流动结构,对低速轴流涡轮内部流场进行了数值模拟,获得了叶片通道中的三维流场结构。在与实验结果进行对比确认的基础上,详细分析了由转静干涉效应引起的非定常流动现象及其对涡轮气动性能的影响。结果表明,低雷诺数状态下,转静干涉效应对低速轴流涡轮静叶通道内流动状况的影响小于对动叶通道内流动的影响;动叶表面的分离流区位置位于叶中和叶顶之间,使得顶部通道涡沿周向拉伸。这种拉伸运动使得气流参数在叶顶附近的周期性变化幅度大于叶根附近的变化幅度。     

探针支杆对压气机转子性能及流场影响的数值模拟研究

为了研究探针支杆对压气机转子性能及流场的影响,以低速轴流压气机单转子为研究对象,利用定常和非定常计算方法分析了在转子叶片上游50%弦长位置处安装探针支杆后转子整体性能及流场结构的变化。结果表明:支杆的存在会使压气机转子设计点静压升下降1.09%,损失增大8%;近失速点静压升下降0.8%,损失增大4.2%。同时支杆尾迹会周期性改变泄漏涡的形态与强度,不会改变泄漏涡破碎导致的泄漏涡脱落频率。支杆尾迹造成的非定常效应使叶尖区域局部总压升有所升高,在近失速工况下,总压升提高更显著。     

大间隙涡轮叶栅流场结构的研究

对具有 3.6 %相对叶顶间隙涡轮叶栅的三维流场进行了实验和数值模拟 ,分析了大间隙涡轮叶栅流道内的涡系结构。结果表明在叶顶间隙内部和上半叶展出现了复杂的分离涡系 ,在上半叶展存在叶顶泄漏涡、上通道涡、吸力侧脱落涡、压力侧叶顶脱落涡和被泄漏流吹向下游的尾缘涡系的相互作用。     

不同叶顶结构的间隙流场及对涡轮性能的影响

为了给涡轮叶顶结构的选择提供参考,采用数值方法和标准k-ω方程湍流模型,分别研究了带冠和不带冠涡轮叶顶间隙泄漏流动状况及其对涡轮气动性能的影响,同时考虑不同间隙高度的影响。结果表明:不带冠涡轮的叶顶间隙流动是由近叶顶横向压差驱动,且在不同间隙下泄漏涡和通道涡的发展规律并不一样;而带冠涡轮的间隙流动是由上下游压差驱动,且泄漏流与主流掺混损失是泄漏损失主要组成部分。带冠涡轮叶顶间隙泄漏损失要小于不带冠涡轮的。     

高负荷对转压气机中尾迹传播机制研究

为了研究尾迹在高负荷对转压气机中的转播机制,采用频域的非线性谐波方法对两级高负荷对转压气机进行了非定常流计算。结果表明:在设计点,通过与定常流计算的结果对比,发现第二级转子在0%~25%的近叶根区域和67%~100%近叶尖区域,非定常得到的效率较小,而在25%~67%的叶中部分非定常的效率更大。研究了尾迹在这三个不同区域的传播规律。结果表明:在叶中,尾迹恢复效应在流动中起到了效率增益的作用;在叶尖,它会与机匣的附面层以及叶尖泄漏流作用,使得端壁附面层增厚和引起泄漏流熵增;在叶根,由端壁附面层产生的马蹄涡和分离涡会影响尾迹的传播,卷吸尾迹并导致尾迹破碎,引起掺混损失。     

某涡轮级三维流场非定常数值研究

基于耦合Lantry-Menter转捩模型的SST(Shear stress transport)湍流模型,对某涡轮级在3个雷诺数工况下的全三维流场分别进行了定常、非定常数值模拟,目的在于对比分析两种计算方法所得结果之间的差异。计算结果表明,进口雷诺数为4×104时和5×105时,定常与非定常计算的涡轮级效率的差异较大,最大相差0.6个百分点,而当雷诺数为8×104时,两者差异很小;非定常计算能够较好的模拟叶尖泄漏涡的发展过程、低雷诺数下上游尾迹与下游转子叶片吸力面分离边界层干涉诱导卷起涡的形成、输运及其所导致的叶片吸力面表面压力大幅波动等非定常流动现象。最后,给出了转子出口截面上周向与径向的非定常压力脉动的分布,为基于Lighthill声类比方法的计算气动声学研究奠定了基础。     

高负荷低展弦比氦涡轮端壁损失机理研究

以某多级氦涡轮第一级为研究对象,借助数值模拟技术对低展弦比涡轮动静叶端壁通道涡迁移及干涉机制进行研究,并考察了叶片弯曲对涡轮气动性能的影响。结果表明：受下端壁道涡影响,导叶出口近叶根处气流过偏转,导致转子前缘近轮毂区正攻角变大;叶片根部负荷增加,致使马蹄涡压力面分支与吸力面分支交点前移;下端壁通道涡径向迁移至近叶顶区,其与叶尖泄漏涡相互影响致使叶顶区粘性损失显著增加。弯叶片对低展弦比大折转涡轮叶片的作用效果与传统涡轮具有明显差别：叶片正弯时叶顶载荷减小,导致叶顶间隙泄漏涡与通道涡强度及损失显著减小,涡轮性能得到改善;叶片反弯时叶顶载荷增加,致使叶尖泄漏损失增大,且强径向压力梯度作用下下端壁低能流体向叶顶汇聚,损失显著增加。     

有无叶顶间隙条件下斜流风机叶轮内部三维流动的数值研究

本文使用NUMECA 的商业软件Fine/Turbo,对一种斜流风机叶轮在有无叶顶间隙条件下的三维粘性流场进行数值研究。在与测量数据比较的基础上,对两种流场的极限流线和二次流图谱及速度分布等进行了分析。揭示了流道中低速流体的输运,“射流—尾迹”流型和叶顶间隙泄漏涡等的形成过程。研究结果表明:二次流和涡运动导致叶道出口流动尾迹发生于外端壁/压力面角域。      

叶顶不同位置喷气对涡轮间隙泄漏流动的影响

为研究叶顶喷气位置对涡轮间隙泄漏流动的影响,在低速条件下用五孔探针对不同叶顶喷气位置和间隙大小的涡轮叶栅出口进行了详细的测量,并通过数值计算对叶顶间隙三维流场进行了对比,分析叶顶不同位置喷气对三维流场和损失的影响。结果表明:叶顶喷气对泄漏流动的影响随间隙尺寸增大逐渐减弱,小间隙时喷气明显抑制了泄漏流动动能,在降低因泄漏涡所引起损失的同时增加了因通道涡产生的损失,靠近吸力边喷气方案使得泄漏涡损失峰值下降达48.6%,而通道涡损失峰值增加10.4%;大间隙时泄漏流动动能较大,喷气对泄漏流动的影响较小;通过减小泄漏流动动能以削弱泄漏涡与通道涡的相互作用,控制较大三维流动分离的发生,可有效改善流道内间隙侧的流动。     

轴流压气机转子叶尖二次涡的试验验证及形成机理

对轴流压气机转子机匣壁面静压进行动态测量,采用小波分析方法处理近失速工况动态压力测量信号,功率谱显示在与二次涡相近的频率上存在较高的能量带,能量峰值沿轴向的衰减与二次涡的变化规律相符,表明二次涡在流场中存在是可能的。针对相同转子进行全通道非定常数值模拟,计算结果表明,近失速工况下,转子圆周每个通道叶顶附近均存在规律一致的二次涡运动。叶片中后段间隙泄漏流与间隙泄漏涡破碎产生的低能流体相互作用,在泄漏涡破碎形成的堵塞区域中形成二次涡。二次涡运动使得近叶顶载荷分布发生变化,从而导致近叶顶流场出现了一种周期性的自维持的非定常流动现象。     

二次流与叶顶间隙损失的数值研究

叶顶间隙二次流在高压涡轮总损失中占据了较大比重.针对某型航空发动机的结构特点,研究了涡轮叶顶间隙结构对性能影响的机理.计算结果和实验数据吻合的较好.流场细节分析表明:在叶顶间隙流通面积相同情况下,台阶型、渐缩型间隙优于直线型,凸/凹型间隙效率最低;渐缩型间隙在叶片前半轴弦受到上通道涡的抑制,减少了叶顶间隙泄漏涡的强度和范围;凸型间隙在叶片前缘引起了流动分离,凹型间隙存在一高速区,增加了二次流损失.      

环形涡轮动叶栅旋转效应数值研究

为揭示动叶旋转与机匣相对转动对涡轮叶栅流场结构和气动性能的影响,针对平顶和翼型冠叶顶的LISA1.5级涡轮动叶片,开展了三维数值模拟研究。结果表明:平顶叶栅中,机匣相对转动能降低泄漏损失,但通道涡强度增大,旋转离心力和科氏力亦对旋涡位置和尺度产生影响;叶顶结构不同会影响各转动条件下的损失变化规律,相对于动叶旋转工况,机匣相对转动可使平顶叶栅出口损失降低3.62%,但使翼型冠叶栅损失提高12.11%;在间隙泄漏流流量方面,不论是平顶叶栅还是翼型冠叶栅,机匣相对转动时叶顶泄漏流量最低,动叶旋转工况次之,静止工况最大。实验中用机匣相对运动代替动叶旋转在研究泄漏流特征时具有一定的合理性,而对于研究旋转效应对通道涡的影响方面则会产生误差。     

叶栅二次流旋涡结构与损失分析

采用三维粘性程序对某型动力涡轮的第一级进行了数值模拟, 模拟结果捕捉到了该涡轮级叶栅的内部流的流动细节, 展示了涡轮叶栅端壁和型面流动及叶栅通道内的三维流动结构.通过对叶栅中的二次流现象和流动损失机理的分析, 揭示了该涡轮级叶栅通道内二次流旋涡结构(马蹄涡、通道涡、壁角涡、尾迹涡、泄漏涡等)的演变过程, 以及旋涡结构对损失分布的影响.