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。     

考虑顶隙的压气机单转子内三维跨音速粘性流场结构的数值模拟

借助于考虑叶片顶部间隙的压气机转子内跨音速湍流流场的三维数值解,得到了该转子流场中的复杂涡系与波系结构。给出了叶片表面及轮毂面上的壁面流型,分析并揭示了转子叶道内的马蹄涡、通道涡、角涡、尾涡等复杂涡系及其与激波的相互干涉;特别是,分析并揭示了转子叶道内顶隙射流的特点,得到了顶隙附近激波与泄漏流动的干涉形态及泄漏流动的发展,并着重给出了其与激波的干涉形态。     

涡轮叶尖间隙泄漏涡不稳定性分析

结合Rains间隙泄漏涡模型和长波不稳定性理论,应用高雷诺数k-ε湍流模型加壁面函数,基于压力修正的三维计算流体力学程序,对某一轴流涡轮平面叶栅叶尖间隙流场进行仿真,通过将叶尖间隙泄漏涡与其在机匣表面镜像形成的虚拟泄漏涡组合成一对泄漏涡,对涡轮叶尖间隙泄漏涡的不稳定性进行了分析,并计算了五个不同叶尖间隙高度下泄漏涡的最不稳定的波长及对应的频率。结果表明,利用长波不稳定性理论可以预测叶尖泄漏涡的不稳定性和最不稳定的波长及对应的频率,从而为采用合成射流控制方法去控制涡轮叶尖泄漏涡提供理论基础。     

带间隙轴流转子顶部三维整体平均速度测量

用三维激光多普勒测速系统对带间隙轴流转子顶部流场进行测量.在15个不同轴向位置上,获得在90%叶高以外的转子内部、进口以及出口三维整体平均速度分布.根据所测量得到的三维速度,清楚地展现了转子顶部流动的特性,特别是泄漏流对顶部流动的影响.泄漏流沿叶顶弦线从顶部流出,在叶片吸力面侧形成泄漏涡,叶片的旋转运动使得泄漏涡核心向压力面靠近.在顶部区域泄漏流和主流发生混合作用,并被认为是叶顶泄漏流动所造成的主要流动损失之一.     

涡轮叶尖间隙泄漏流动主动控制数值模拟

结合基于压力修正的雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,对某一轴流涡轮转子采用叶尖间隙射流主动控制对泄漏流场的影响进行了数值模拟.结果表明:在涡轮叶尖表面选择合适射流孔位置进行射流可以提高涡轮转子效率,其中大间隙下通过射流孔组合射流可以提高涡轮效率0.35%,小间隙下可以提高0.3%;在射流孔区域靠近叶片表面处流场结构中鞍点数和结点数相等,满足奇点总数规律.      

液环泵叶轮叶片轴向叶顶间隙微射流流动机理及性能分析

液环泵的轴向间隙泄漏流对其水力性能有重要的影响,为了抑制其叶片轴向叶顶间隙泄漏流动,提升水力性能,以2BEA-203型液环泵为研究对象,在叶片轴端间隙引入微射流,采用数值模拟方法对比分析微射流对间隙泄漏流场及液环泵性能的影响机理。分析结果表明:轴向间隙射流能够有效地抑制间隙泄漏,液环泵的效率及真空度均在一定范围内提升。叶片轴向间隙内射流孔出口处会形成一相对高压区,微射流排挤占用一部分间隙的流道,部分射流与压力面泄漏流相互作用形成间隙涡,阻滞泄漏流动,使得叶片间隙泄漏流强度降低,叶片背面后方的泄漏涡前移。液环泵叶轮轴向间隙泄漏流存在复杂的时空分布特征,湍动能分布由吸气区沿叶旋方向逐渐增强,受微射流抑制作用,射流型叶轮间隙吸力面侧的湍动能强度要明显弱于原型叶轮间隙;泄漏流强度沿弦线方向逐渐减弱,微射流的部分流体沿弦线方向流入叶片轴向间隙,排挤占用下游间隙的流道,提升了叶顶间隙的密封性能。      

间隙高度对自发射流抑制叶尖泄漏的影响

通过数值求解三维定常黏性雷诺时均N-S方程,获得了单孔叶尖自发射流条件下不同叶顶间隙的叶栅流场,对比分析了间隙高度对自发射流与叶尖泄漏流相互作用特性、叶尖泄漏流量以及叶片载荷的影响.结果表明:当叶顶间隙高度为1mm(t/H=0.5%)时,自发射流对泄漏流有明显的阻挡作用,泄漏流量比减少0.06%,同时叶片载荷增加1.39%.当叶顶间隙高度增大到4mm(t/H=2%)时,自发射流的阻挡作用及对叶片载荷的增加作用基本消失;减小间隙高度可以有效提高自发射流的控制效果,同时降低因分离造成的流动损失;自发射流的存在显著改变了间隙流场分布及叶尖吸力面附近静压系数分布,计算发现当泄漏流绕自发射流流过时,下游流场出现类似卡门涡街的涡分布现象.      

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.      

弧形端壁造型对不带冠涡轮气动性能的影响

采用商用计算流体力学软件CFX,湍流模型采用标准k-w两方程湍流模型,叶型为单涡轮动叶叶片,应用数值模拟方法研究了弧形端壁造型对动叶泄漏流动及涡轮气动性能的影响。数值研究结果表明:适当优化的弧形端壁造型可以改善泄漏涡和通道涡作用状况、提高出口总压和改善气流角分布、降低叶顶间隙泄漏和提高效率。最优端壁造型可以减少间隙泄漏0.27%,提高效率0.77%。在变攻角下,最优端壁造型效率最高点出现在设计攻角下,但攻角变化越大,间隙泄漏流动越少。     

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。     

叶顶喷气对凹槽叶尖气动性能的影响

对某型航空发动机高压涡轮转子叶片通过相似变换得到的低速叶型进行研究,探讨叶尖机匣相对运动条件下,叶顶喷气对凹槽叶尖气动性能的影响。结果表明:叶顶喷气对平叶尖的气动性能影响有限,但会降低凹槽叶尖效率;在相同喷气条件下,使用凹槽叶尖相比于使用平叶尖可降低20%的叶尖泄漏损失;泄漏流在凹槽内部的能量耗散主要来自于泄漏流动与凹槽涡和刮削涡的相互作用,在喷气条件下,刮削涡仍然是泄漏流动的主要控制结构。喷气位置对凹槽叶尖性能有显著的的影响;在靠近吸力侧和前缘布置喷气孔,有利于凹槽气动性能的提升;基于以上研究,建立可用于凹槽叶尖的泄漏流动损失模型,新模型相比Denton模型误差降低了31.6%。      

小流量下周向弯曲叶片叶顶泄漏流动的PIV研究

对带有周向前弯和周向后弯叶片的低压轴流风机,采用PIV技术测量小流量工况下叶顶区域瞬态速度场。基于小流量压力峰值工况下的瞬态测量结果,详细阐述了周向弯曲叶片叶顶泄漏涡的演化过程。结果表明：小流量压力峰值工况下,周向弯曲叶片叶顶泄漏涡存在瞬态特性,泄漏涡起源向前缘方向迁移,涡核在向下游发展的过程中不断破碎,沿端壁向通道中部迁移,并发生径向迁移;周向后弯叶片的泄漏涡较周向前弯叶片迁移明显,涡核破碎过程剧烈;周向前弯叶片有利于叶顶泄漏涡的控制。     

不同转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳的机理

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 67为研究对象,采用数值模拟方法,开展100%、80%及60%转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳触发机制的机理研究。数值结果与实验数据的对比分析表明:在3个转速下,数值总性能曲线的变化趋势与实验数据符合一致。通过压气机内部流场的详细分析,得出其基本流动机理。在3个转速下,随着压气机节流,叶顶泄漏涡(TLV)的起始位置逐渐向叶片前缘移动,叶顶泄漏涡也逐渐向相邻叶片压力面偏转,相比近峰值效率点,近失速点时在100%、80%以及60%转速下叶顶泄漏涡的偏转角度分别为3°、6°和9°。在100%和80%转速下,叶顶泄漏涡与激波相互作用所导致的堵塞是触发压气机内部流动失稳的机制,并且在80%转速下,叶顶泄漏涡发生破碎;而在60%转速下,泄漏涡在相邻叶片出现的叶顶前缘溢流(LESF)是触发压气机内部流动失稳的主要机制,叶片吸力面尾缘出现的小尺度附面层气流分离(BLFS)不是主要机制。      

肋条结构对气膜冷却凹槽叶尖流动换热的影响

为有效抑制涡轮转子叶尖泄漏并改善叶尖热负荷,采用数值模拟的方法,对5种叶尖肋条结构的高压涡轮带气膜冷却突肩叶片流场进行计算,评估了不同叶尖肋条结构的气热性能。结果表明：在叶尖增加肋条结构能够有效调控叶尖空腔涡、刮擦涡、肋后涡和冷气肾形涡的路径,从而起到减小叶尖高表面传热系数区,提高叶尖平均气膜冷却效率的作用,同时有效降低了叶片压力侧前缘进入的泄漏流量,使得总压损失系数下降。凹槽尾缘压力侧半肋条结构具有最佳的气热性能,对泄漏流的阻碍作用最好,与无肋条情况相比,其叶尖平均表面传热系数降低了20.1%;平均气膜冷却效率提升了24.3%。     

涡轮转子凹槽叶尖泄漏流动气动热力特征

为探索总结凹槽叶尖泄漏流动气动热力特征,利用实验和数值模拟方法,对叶尖凹槽内部旋涡相互作用机理和叶顶流动换热与泄漏流能量再分布等问题进行研究,并对凹槽叶尖参数化设计方法进行探讨。结果表明:搭建的考虑多因素实验台和可视化泄漏流动测量方案可以精确地捕捉到叶顶区域的流动结构;刮削涡在凹槽中起到"气动篦齿"作用,其形态特征的变化直接影响凹槽叶尖对泄漏流动的控制效果;高温泄漏流流体对叶片表面的冲击是叶尖热负荷提高的主要原因;合理选择叶尖气动参数和凹槽的几何参数可以有效控制刮削涡形态,最终提升叶尖气动热力性能。     

叶尖单侧倒圆对扩压叶栅叶顶间隙流动的影响

提出了一种控制扩压叶栅叶顶间隙流动的方法,通过对叶尖压力面小尺度的倒圆修型,改善了扩压叶栅叶顶间隙流动状况。通过数值模拟方法研究叶尖倒圆结构对扩压叶栅性能的影响及作用机理,并探究3种不同倒圆半径(约为3%、4%、6%的叶片最大厚度)叶尖倒圆结构的流动控制效果。结果表明:叶尖倒圆能够削弱叶尖分离涡,进而影响叶尖流场不同涡系之间的相互作用,使得叶顶间隙通道附近的总压损失减少;但是叶尖倒圆半径越大,泄漏流流量越大,会加剧泄漏流与主流的掺混,使总压损失增加。因此合适的叶尖倒圆半径能够使叶栅性能得到最大程度的改善。此外,在倒圆半径为3%叶片最大厚度时,叶栅在较大的攻角范围内均获得了良好的改善损失的效果。     

叶顶抽吸对叶栅间隙泄漏流动的控制研究

为了控制压气机叶尖间隙泄漏流动,减少叶尖泄漏流和泄漏涡对压气机内部流场带来的不利影响,数值模拟研究了在压气机叶栅叶顶位置沿叶片中弧线开槽抽吸对叶尖泄漏流的控制效果,并与端壁流向开槽抽吸方案进行了对比分析。研究结果表明:叶顶抽吸和端壁抽吸直接通过影响叶尖泄漏流的结构形态,减弱间隙泄漏流强度和影响范围,从而提升压气机/叶栅性能。叶顶中游抽吸方案Slot TB对于泄漏流与泄漏涡的控制效果优于叶顶上游抽吸方案Slot TA;而机匣端壁上游抽吸方案Slot CA相较于中游抽吸方案Slot CB对叶顶流场改善效果更佳。叶顶抽吸和端壁抽吸在抽吸量为0.6%时分别可以使总压损失系数下降约3.3%和7.2%。     

多级轴流压气机转子通道流场的PIV测量

在四级低速大尺寸轴流压气机实验台上,基于粒子图像测速仪(particle image velocimetry,简称PIV)系统,发展了适用于多级叶轮机械转子内部全通道流场测量的PIV技术.自行研制了光学潜望镜和锁相触发装置,并在第3级转子的外机匣处开设了测量窗口.在设计工作点,对第3级压气机转子叶片全通道的流场进行了详细测量,获得了8个不同叶高截面处的二维速度矢量场.实验结果与三维定常Navier-Stokes(N-S)方程计算结果的对比分析表明:PIV测量结果合理地反映了转子通道内部的流场结构,第3级转子叶尖部分存在尺寸大、影响区域广的叶尖泄漏涡,泄漏涡控制了叶尖区域的流场,而气流在通道其余部分的流动状态较好,不存在明显的低速区.