涡轮叶栅尾缘冷气喷射对主流场干扰的物理模型的研究

本文分析了叶片尾缘喷气与主流干扰的机理,改进了二维、可压缩的涡轮叶栅尾缘喷气模型,并以能量损失系数ξＦ 来反映冷气喷射对主流的气动影响。通过尾缘喷气模型与涡轮叶栅流场计算及附面层参数的关联,分析了冷气喷射后的气动损失。与实验结果的对比分析表明,该模型能较准确地反映叶栅尾缘冷气喷射与主流的掺混情况,适用于预测不同形式的叶栅尾缘喷气对叶栅气动性能的影响     

冷气射流对航空发动机涡轮气动损失的影响

为了研究不同射流环境对航空发动机涡轮叶片气动损失的影响，采用数值模拟的研究方法，分别考虑压力面与吸力面2 种气膜冷却打孔方案，总结在不同吹风比条件下叶栅通道内部流场环境特点，以及不同流场环境下叶栅损失的变化规律。结果表 明：叶栅通道内部气膜冷却射流环境分为低动能比射流环境（动能比小于1）与高动能比射流环境（动能比大于1），这2种射流环境 的边界层、叶栅出口二次流损失、动能亏损情况以及叶栅出口的总压损失系数有不同的变化特点：在低动能比环境下，冷气射流会 贴附壁面流动，进而影响边界层；在高动能比环境下，冷气射流直接与主流掺混。吸力面的冷气射流对叶栅气动损失有较大影响， 当射流动能较大时，使叶栅总压损失变化50%以上；而压力面的冷气射流对叶栅气动损失影响很小，经过计算，压力面的冷气射流 仅使叶栅总压损失系数最大变化0.64%。     

带尾缘劈缝冷气喷射的涡轮叶栅性能实验及计算

通过平面叶栅实验和CFD数值计算方法,研究了叶片尾缘全劈缝冷气喷射下涡轮叶栅流场和气动性能。试验和计算发现,在冷气喷射条件下用不同损失系数描述涡轮叶栅性能,结论明显不同,用考虑冷气能量的能量损失系数评价气冷涡轮叶栅性能较为准确和客观。在较小的冷气流量下,劈缝冷气喷射使叶栅能量损失降低,尾缘劈缝冷气喷射可改善近尾迹区域的流动,减小尾迹亏损,降低尾迹掺混损失。尾缘劈缝冷气射流方向偏向叶片某型面,则尾迹损失峰值朝此型面偏移。     

压力面气膜冷却数值模拟

针对典型高压涡轮叶型平面叶栅压力面气膜冷却,采用数值模拟方法,比较分析了不同冷气进口方式对计算结果的影响,并对冷气入射角度等参数对叶栅流场和性能的影响规律进行了研究。结果表明,在没有考虑二次流流动影响情况下,平面叶栅中通过管道给定冷气进口和直接在叶片表面给定冷气进口这两种方式对气膜冷却数值模拟结果影响很小,能量损失系数的差别仅为1%左右。冷气入射增加了叶栅损失,但能量损失系数与冷气入射角度并不是简单的单调关系,在入射角度从15°到60°的变化范围内,能量损失系数存在最小值,对应冷气入射角度在30°左右。     

吸力面不同吹风比切向冷气喷射对跨声速涡轮叶栅气动性能的影响

为进一步探究跨声速涡轮中吸力面切向冷气喷射对叶栅气动性能及气膜冷却效果的影响,以跨声速涡轮叶栅作为研究对象,采用数值模拟方法,通过在叶片吸力面不同位置开设切向冷气喷射槽,进行不同吹风比下的冷气喷射,对跨声速气冷涡轮叶栅的总体性能以及流场细节进行了详细研究。研究结果表明,吸力面切向冷气喷射有利于减小跨声速涡轮叶栅激波损失,叶栅最大马赫数可减小0.104;切向冷气喷射槽位于尾缘内伸激波反射点上游,且吹风比处于0.75～1.00内时,叶栅能量损失最小;吹风比的增大有利于减小甚至消除冷气槽内分离泡,并能够减小唇部激波强度。     

不同尾缘喷射对涡轮叶栅气动性能的影响

通过尾缘喷气模型与涡轮叶栅流场计算及附面层参数的关联 ,初步提供了能较为准确预测尾缘冷气喷射对尾迹参数分布规律及气动性能影响的理论预测系统。对半开缝和对开缝两种尾缘冷气喷射的研究表明 :喷气流量比增大时 ,两种不同形式叶栅的能量损失系数都有先减小后增大的趋势 ;在相同条件下 ,半开缝叶栅的能量损失系数比对开缝在相应条件下的要稍小一些 ;尾缘喷射对于叶栅的平均出口气流角的影响很小     

考虑冷气的多级涡轮翘曲S1流面的气动优化

为了缩短涡轮气动设计的周期,进一步发掘涡轮叶型的改进潜力,搭建了多级涡轮的翘曲S1流面气动优化平台.该平台具有速度快,周期短的特点.在考虑冷气的前提下,对多级叶片进行多层并行优化,避免了单列优化后叶列间匹配差的缺点,同时克服了多层S1流面的气动效率此消彼长的缺陷.对某型两级高压涡轮进行了气动优化设计,优化后10%,50%,90%叶高的S1流面的考虑冷气的气动效率分别提高了0.569%,0.490%,0.405%;第1级和第2级考虑冷气的气动效率分别提高了0.18%,0.05%;涡轮整体气动效率提高了0.15%;优化效果明显.经过分析可知,优化有效减小第1级导叶的通道横向二次流损失和第1级动叶的激波损失,第2级的原始叶型设计较为合理.下端壁喷射冷气是降低S1流面优化有效性的重要原因.     

导叶冷却对涡轮级性能影响的数值研究

针对某高压燃气三维扭转涡轮导叶全叶身冷气射流进行了数值模拟,详细分析了在设计转速下改变冷气流量对叶片气动性能、冷却效率和叶栅通道损失的影响;对比分析了在冷气流量相同的条件下,改变转速对涡轮级性能影响.结果表明:不同冷气流量对导叶冷却孔附近区域的静压影响较为明显,而对下游转子的型面静压影响不大;导叶冷气射流对叶栅通道内主流气流角影响较小;冷气流量占主流流量由2.50%增加至6.25%,叶片绝热壁温降幅达11.19%,导叶叶栅通道总压损失和能量损失分别增加了12.95%和12.01%,而涡轮级功率和级效率分别降低了2.39%和1.51%.      

航空燃气涡轮冷气掺混流动损失的数值研究

采用理论分析的研究方法,对不同冷气掺混形式造成的涡轮气动性能的变化进行了数值计算研究。针对气膜冷却所造成的流动损失,采用修正的Ito等压混合模型;而针对尾缘冷气喷射所造成的流动损失,则采用了修正的Schoberi流动损失模型。对于不同的冷却方式,假定它们之间对主流造成的流动损失是相互独立。以某高压涡轮导向器作为研究对象,分析了各种冷气参数和几何参数对冷气掺混过程的影响规律。研究结果表明,涡轮叶片气冷过程引起的叶栅总压损失随冷气入射角度、吹气比、混合层厚度的变化而显著变化,通过优化设计可以使气冷过程造成的流动损失最小。     

喷射角对涡轮叶栅端壁气膜冷却的气动影响

在大尺寸低速平面叶栅风洞中,对前缘上游有单排气膜孔的涡轮导向叶栅端壁气膜冷却进行了气动实验。在喷射角25°,35°和45°以及吹风比1,2,3下详细测量了叶栅通道中的三维流场,得到了全速度和二次流速度分布,并由此计算了二次流动能的大小。着重研究了喷射角对端壁气膜冷却的气动特性和对叶栅通道中特别是端壁附近的流场结构的影响。数据表明减小喷射角度可以减小通道涡的强度和尺寸,使冷气射流核心更贴近壁面,但同时也明显地增大了壁面附近的气流速度。在高吹风比下,35°喷射时射流将冷气输运到压力边的能力比25°喷射和45°喷射都要强。     

涡轮冷气掺混数学模型与计算方法的研究

本文建立了一个涡轮冷气掺混的数学模型并将其应用到气冷涡轮的 S2 流面计算中。根据该模型推导出了考虑冷气掺混时相对坐标系下的气动热力学方程组。通过掺混流函数的引入建立了计及冷气掺混的 S2 流面计算方法。计算结果表明了本文模型的合理性与算法的可行性     

涡轮叶栅前缘上游端壁气膜冷却的流场实验研究

对前缘上游端壁有单排和双排孔冷却的大尺寸低速涡轮导向叶栅进行了气动测量、热示踪和端壁流场显示,在吹风比1～3范围获得了叶栅内的详细流场、冷气的空间分布和端壁上的流动图案。结合先前测得的没有冷却时的流场数据,这些结果表明端壁气膜冷却对叶栅流场结构有重大影响,吹风比是主宰射流与二次流间相互作用的主要因素,双排孔喷射使冷气比单排孔喷射更贴近端壁。低吹风比喷射冷气不能到达压力面并被二次流逐渐卷离端壁;中吹风比喷射有效的抑制了二次流的形成,并使端壁流线偏向于无粘流流线,冷气很均匀的覆盖在端壁上。      

船用推进器低压透平末两级改型设计

为了改进船用汽轮机低压缸末两级涡轮的气动性能,对叶栅和子午流道进行了改型设计,并运用计算流体力学方法对原型方案和改型方案的内部流场进行了数值模拟.计算结果表明,在流量不变的情况下,这种综合优化设计方法能使汽轮机性能大幅提高,最终汽轮机效率提高了2.162％,功率增加了1.7％.最后对次末级动叶进行了环形叶栅试验,测量了叶片表面压力和总压损失沿叶高的分布.试验结果表明,改型设计优化了动叶中的载荷分布,从而有效地降低了叶栅二次流损失和叶型损失.     

叶片正弯曲对间隙流动损失的影响

对具有2.3%相对顶部间隙的常规直叶栅和正弯叶栅的流道及间隙内的气动参数进行了详细测量,实验结果发现:顶部间隙的存在对叶栅的气动性能有较大影响,使叶栅上半翼展损失明显增高;叶片正弯曲减小了叶顶后部的横向压力梯度,削弱了泄漏流与端壁横流的相互作用,降低相对漏气量的同时也降低了叶栅的流动损失,明显改善了叶栅的出口流场。      

燃气轮机涡轮动叶顶部气动与传热特性的数值研究

应用SSTκ-ω湍流模型并结合SIMPLEC算法,对燃气轮机涡轮动叶叶顶间隙及通道冷却流场进行数值模拟。通过在叶顶靠近吸力面侧、压力面侧以及中弧线位置处设置冷却孔排,研究不同孔排布置对叶顶气动性能及气膜冷却效果的影响。结果表明:冷却喷气有效削弱了叶顶间隙泄漏损失,降低了泄漏涡对叶栅出口截面气动损失的影响;在肩壁的作用下泄漏流形成了分离涡,涡流的移动强化了叶顶的传热和冷却效果,增强了壁面与泄漏流之间的对流换热,同时在靠近上端壁和沿着流道轴向方向形成均匀的压力梯度;叶顶孔排有效地组织了二次流并减小了叶顶表面的温度梯度和叶栅通道下游的气动损失,但对整个叶栅通道气动性能的改变影响较小。     

涡轮轮毂封严冷气对主流影响实验研究

本文针对不同冷气量和不同冷气喷入角组合工况下涡轮轮毂封严冷气对主流影响进行了实验研究,在一列低速涡轮平面叶栅上对不同工况下的叶栅出口流场、通道流场进行了测试。实验结果表明:在1.0%～1.8%冷气量下,1.0%冷气量沿45°喷入对主流影响最小,涡轮叶栅气动性能最优。     

低负荷弯叶栅流谱结构与气动性能的实验研究

在一套典型的低负荷矩形涡轮静叶栅中开展弯叶片影响叶栅内部流谱结构与气动性能的实验研究。利用微型5孔探针分别对6套叶栅的进出口流场进行详细测量,并在叶栅表面和端壁进行油流显示实验。从定性和定量的角度考察了叶片弯曲对壁面流谱拓扑结构、出口涡量、出气角及二次流损失分布的影响,总结了弯叶片影响边界层迁移与二次流损失发展的规律。     

尾缘喷气方式对涡轮叶栅气动性能的影响

以某涡轮叶栅为研究对象,采用试验和数值模拟相结合的方式研究了涡轮叶片不同喷气结构对叶栅性能的影响。对半开缝和对开缝两种尾缘冷气喷射的研究表明:当冷气流量比较小时,有一个总压损失随冷气量增大先增加后减小的趋势:当冷气量较大时,冷气造成的总压损失随冷气增大而减小。在相同条件下,半开缝叶栅出口的总压损失系数小于对开缝叶栅出口的总压损失系数。叶栅出口平均气流角随着喷气比的增大呈减小的趋势,但变化范围很小。     

冷气对多级涡轮翘曲S1流面优化的影响

设计以翘曲S1流面优化为核心的多级涡轮气动优化流程,研究气膜冷气、尾缘冷气、端壁冷气对优化可靠性和有效性的影响。该流程能够对多种叶高处带叶片冷气的多级翘曲S1流面进行并行优化,提高了优化的可靠性。对两级高压涡轮给定三种叶片冷气方案:包括气膜冷气和尾缘冷气的叶身冷气、气膜冷气、无叶片冷气,分别进行翘曲S1流面优化设计。优化后翘曲S1流面平均气动效率分别提高0.20%、0.38%、0.07%,涡轮气动效率分别提高0.33%、0.32%、0.26%,优化的可靠性较好。分析可知,气膜冷气增强了径向二次流动,降低了优化的有效性,尾缘冷气则部分削弱了气膜冷气的消极作用;下端壁冷气较上端壁冷气对端区二次流的作用强,因此前者对翘曲S1流面优化的积极作用更好。     

高压涡轮工作叶片叶型设计研究

针对高压涡轮工作叶片叶栅型面特征,采用可压燃气黏性流2维计算方法对高压涡轮工作叶片叶型进行了气动研究,并通过试验验证了优化设计,得到了叶栅气动设计参数。经与初始叶型对比,优化叶型在各状态下损失特性变化更为平缓,在超临界状态下效率更高,在λ2is=1.20状态下的损失减少了2.8%。该方法缩短了设计时间,并且节省了平面叶栅吹风试验的成本。