高负荷涡轮叶冠泄漏损失来源分析(英文)

高性能燃气轮机的发展迫切要求对涡轮内部损失来源及其物理机制有更清楚的认识。采用带冠设计的涡轮中,气动损失的很大一部分来自叶冠的泄漏流动。为了深入分析叶冠泄漏损失对涡轮性能的影响,选取高负荷涡轮,采用带有掺混面模型的三维定常计算方法和熵增的分析方法来研究叶冠泄漏的损失来源和损失机理。计算中考虑了详细的叶冠几何结构,打破了经验公式在模拟叶冠泄漏流时的局限性。结果表明,带冠涡轮比不带冠涡轮的气动效率高出约0.9%。叶冠泄漏所带来的损失主要分为腔体损失、泄漏损失、掺混损失和攻角损失四个部分,这四种损失来源在不同间隙下所占比例并不相同。因此,考虑完整的叶冠几何结构对涡轮性能的预测和气动设计至关重要。     

跨声速多级轴流压气机特性预估及分析

为了研究跨声速轴流压气机的性能分析问题,采用流线曲率法结合损失落后角模型,发展了一种利用反问题方程求解正问题的数值方法。在NASA低速平面叶栅试验数据的基础上考虑三维效应的修正,根据激波结构随工况的变化发展了一种新的激波损失计算方法,整理了一套适合跨声速轴流压气机的损失落后角模型。对两级跨声速轴流风扇进行了数值模拟研究,进行了设计工况的校核计算和全工况特性预测,并将计算结果与NASA试验值进行了比较分析。结果显示,设计点计算误差在1.1%以下,非设计点也能得到与试验值吻合的趋势,表明所建立的方法和模型可以有效地对跨声速多级轴流压气机进行全工况特性预测。     

局部进气涡轮研究进展综述

涡轮是工业领域的重要部件之一,随着应用需求的多样化,涡轮的运行范围更广,而局部进气技术是实现多工况条件高效运行的关键手段之一。但局部进气会带来强烈的流场不均匀性和受力非定常性,增加了涡轮的设计和加工难度。本文首先对局部进气涡轮在不同领域的应用特征进行总结,其次对局部进气涡轮损失机理和性能影响因素开展分析,对比不同局部进气损失预测模型的精度,归纳局部进气涡轮的优化设计方法及性能提升效果,分析局部进气涡轮目前研究的不足,最终对局部进气涡轮发展趋势进行展望,为下一步局部进气涡轮性能改进提供方向。     

轴流压气机设计点流动损失的预估和分析

在大量统计数据分析的基础上 ,采用当量扩散因子 Deq求得叶片尾缘的动量厚度与弦长比θ/ c和形状固子 Hte,经修正获得叶型损失值。再应用改进了的端壁损失和激波损失模型 ,最终算出轴流压气机设计点损失沿叶高的分布规律。验算表明 ,采用本方法所预估的损失与实测结果十分接近 ,而且对各种原始叶型均能应用。根据本方法所编制的计算机程序简单实用 ,可以满足先进轴流压气机气动设计和分析的需要 ,也可以作为子程序插入 S2 流面的计算程序中去     

非轴对称端壁技术的应用及发展

非轴对称端壁技术作为一项先进的航空涡轮设计技术,能够有效地降低涡轮通道二次流损失．提高涡轮效率。国外对非轴对称端壁技术进行了大量的机理研究和试验验证,并将其应用于先进航空发动机的涡轮设计。本文介绍了国外非轴对称端壁技术的发展现状和特点,总结并分析了非轴对称端壁技术的发展趋势。     

一种跨声速轴流压气机性能预测的数值方法

采用二维流线曲率法数学方法,考虑到不同因素对落后角和损失的影响,发展了一种适应于跨声速轴流压气机的落后角和损失模型.对轴流跨声速压气机NASA(National Aeronautics and Space Administration)Stage 37进行了数值计算,得到了设计点与非设计点的特性曲线,并与试验数据进行了...     

跨声速轴流压气机特性预测的损失模型研究

基于公开发表的研究成果,完善了1种新的跨声速轴流压气机总压损失及落后角预测模型,并发展了相应的跨声速轴流压气机非设计性能分析方法,建立了相应的计算机模拟程序。对2个跨声速轴流压气机的设计及非设计性能进行了数值模拟,对所得计算结果与试验结果的比较表明,本模型与分析方法能够应用于工程计算。     

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.      

跨声速轴流压气机流动损失分析

对跨声速多级轴流压气机的损失和落后角模型进行了改进,采用流线曲率法对非设计点进行了性能模拟。新的激波损失模型考虑了压气机工作状态从堵塞点向喘振点变化时激波系结构的变化;同时也考虑了压气机负荷对叶尖二次流动的影响。着重对跨声速轴流压气机在100%设计转速下各种损失的变化规律,以及叶片不同位置处的损失变化进行了分析,并得出了一些规律性的结论。计算得到的气动参数与实验值的比较表明:该模型能够较为准确地预测到跨声速压气机内部流动的叶型损失、激波损失、二次流损失以及展向掺混损失的变化规律。     

轴流压气机特性计算及激波模型研究

为快速准确预估轴流压气机特性和激波损失,基于轴流压气机S2流面流线曲率法,分别采用正激波模型和改进的双激波模型,对某型2级跨声速风扇特性进行数值模拟计算,得到了100%设计转速近设计点与99.76%设计转速近堵塞点的总体性能和气动参数,以及95%、100%和110%设计转速的特性曲线。通过将计算结果与试验数据进行对比,分析研究了各激波损失模型在激波损失预估和风扇/压气机特性计算方面的差异。分析结果表明:在跨声速风扇/压气机近设计点激波损失和特性参数的计算中,正激波模型损失径向分布计算结果接近试验值,总压比和总效率计算值分别较试验值约低1.96%和2.54%,模型能够满足工程需要。而在近堵塞点,改进的双激波模型总损失计算值更接近试验值,总压比计算值和试验值很吻合,总效率计算值比试验值约高7.28%。改进双激波模型的不同转速线效率特性曲线也明显更接近试验值,模型能够较准确地预测远离设计点激波损失和特性参数。     

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...     

基于体积力模型的1维涡轮特性评估方法

涡轮低维气动特性评估方法的预测精度对涡轮气动设计有重要意义.基于适用于轴流涡轮特性评估的1维体积力方法,分析和局部调整了Adam和Leonard的1维体积力模型中的叶片力源项和离心力源项,并在特性计算中引入涡轮损失模型.通过1个低压涡轮和1个含冷气高压涡轮对该方法进行验证,计算结果表明:该方法对2个算例在涡轮设计工况点的流量效率预测偏差均在1％以内,且能够反映涡轮气动特性随膨胀比的变化趋势,具有良好的精度,可用于快速可靠地评估涡轮低维气动特性.     

轴向间距对涡轮损失影响的非定常数值研究

针对不同轴向间距下涡轮级内非定常流动进行了数值研究,讨论了非定常条件下轴向间距变化对气动损失、非定常性的影响.结果表明,随着轴向间距的减小,涡轮级内流动的非定常性增大,流动的不均匀性更为强烈.大轴向间距方案的尾迹同主流区域的流体掺混距离较长,表现出大的总压损失系数的分布.小轴向间距下流动的不均匀性非常强烈,因而也表现出较高的损失分布.存在一个最优的轴向间距使得气动损失最小.      

非轴对称端壁设计的高负荷涡轮气热性能研究进展

非轴对称端壁设计因能够有效地减少涡轮叶栅的二次流损失和提高气动性能而在高负荷涡轮设计中得到应用。简要回顾了涡轮叶栅二次流模型和非轴对称端壁造型方法,重点综述了非轴对称端壁设计的高负荷涡轮气动性能研究进展和抑制端壁二次流的作用机制,介绍了非轴对称端壁设计的高负荷涡轮端壁气热耦合作用的冷却特性研究进展,总结了高负荷涡轮非轴对称端壁设计技术的应用成果,展望了非轴对称端壁设计在高负荷涡轮的高效气动和冷却布局应用方面需要深入研究的内容。     

正交化设计对大子午扩张涡轮紧凑过渡段的流动性能影响

为了降低大子午扩张涡轮端区二次流损失和流动损失,同时降低过渡段缩短对涡轮性能的影响,对具有大子午扩张低压涡轮过渡段的紧凑过渡段设计进行气动分析,设计的紧凑型过渡段径向长度减小了30％,分析涡轮带原始过渡段和缩短后的紧凑型过渡段的气动性能和流场状态.并对涡轮静叶采用正交化设计,初步探索正交化设计对大子午扩张涡轮紧凑过渡段...     

多级涡轮多目标气动优化设计流程

在准三维设计基础上,采用多目标优化设计方法,给出一个多级涡轮气动优化设计流程,优化联合采用人工神经网络和遗传算法,流场计算采用全三维粘性流N-S方程求解。此优化设计流程有三个特点:针对每列叶栅的气动特性进行局部优化;各列叶栅反复多次优化;粗细网格交替使用。并采用此设计流程对一三级涡轮进行优化设计,效率提高1%,说明此方法可以有效的用于多级涡轮气动优化设计。     

一种多级轴流压气机特性预测工程方法

基于多级轴流压气机部件设计点气动参数与相应几何尺寸,发展了一种计算发动机高、低压压气机部件特性近似方法, 并将其应用于某型涡扇/涡喷发动机风扇和高、低压压气机部件特性预测,计算结果与实验数据比较表明,本方法作为一种近似方法具有可接受的工程精度,尤其适合于预测发动机压气机部件小转速特性,为涡扇/涡喷发动机起动过程分析与计算提供模型基础。     

有冷气掺混的涡轮气动设计计算方法

本文介绍的设计计算方法 ,直接计入质量和能量掺混 ,但间接计入动量掺混影响。计算程序可以计及涡轮进口沿径总温、总压不均匀的影响、叶片冷却型式不同的影响以及各计算节点的比热和气体常数不同的影响。叶列损失按给出的损失模型迭代求解。在轴向间隙站对混气采用流线曲率法求解径向平衡方程。本计算程序可以用于多级气冷涡轮设计     

基于粘性伴随方法的涡轮叶片二次流损失优化设计

在航空涡轮叶片设计中,减少流动损失对改善涡轮叶片性能具有十分重要的意义。本文介绍了一种连续伴随方法在涡轮叶片优化设计中的应用,通过对某低展弦比涡轮叶片的根壁外形进行优化来减少二次流损失。首先通过改变叶高方向的安装角分布使得气流出口偏转角逼近目标分布,以此验证粘性伴随方法的精确性和有效性。其次,在优化二次流损失时,设计目标选取为叶片通道出口的熵增,同时满足出口流动偏转角约束。最后,分析讨论了叶片根壁外形变化对减小二次流损失及二次动能的影响。结果表明：该优化设计能有效地减小二次动能,从而提高叶片的效率。     

Numerical investigation of the interaction between upstream cavity purge flow and main flow in low aspect ratio turbine cascade

In modern gas turbines, rim seal located between the stator-disc and rotor-disc is used to prevent hot-gas ingestion into the inner stage-gap of high pressure turbine. However, the purge flow supplied to the cavity through the rim seal interacts with the main flow, producing additional aerodynamic loss due to the mixing process which plays a significant role in the formation, development and evolution of downstream secondary flow. In this paper, a set of cascade representative of low aspect ratio turbine is selected to numerically investigate the influence of upstream cavity purge flow on the hub secondary flow structure and aerodynamic loss. Cascade with/without upstream cavity and four different purge mass flow rates are all taken into account in this simulation. Then, a deep insight into the loss mechanism of interaction between purge flow and main flow is gained. The results show that the presence of cavity and purge flow has a significant impact on the main flow which not only changes the vortex structure in both the passage and upstream cavity, but also alters the cascade exit flow angle distribution along the spanwise. Moreover, aerodynamic loss in the cascade rises with the increase of purge flow rate while the sealing effect is also enhanced. Therefore, the effect of upstream cavity purge flow must be considered in the process of turbine aerodynamic design. What is more, it is necessary to minimize the purge flow rate in order to reduce aerodynamic loss on the premise of satisfying cooling requirements.