大膨胀比跨声速涡轮流动结构及损失的数值研究

为了揭示跨声速大膨胀比涡轮损失的主要特点和两种不同尾缘冷却方式对损失的影响,以典型大膨胀比跨声速涡轮和跨声速叶栅为研究对象开展了数值研究。研究发现大膨胀比跨声速涡轮的主要损失是叶型损失,占到总损失的65%左右,尾缘激波损失是叶型损失的主要来源。尾缘全劈缝冷气入射通过提高尾缘基压区基压来减少尾缘膨胀波对气流的加速程度,从而降低最高马赫数和激波损失,尾缘压力面劈缝冷气入射通过改变叶片尾缘压力面激波波系结构,使原来的一道激波变成两道或者两道以上的弱激波,从而减少激波损失。两种尾缘冷气方式都有利于降低大膨胀比跨声速涡轮激波损失,但压力面劈缝冷气入射方式效果更为明显。     

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。     

斜劈缝涡轮导向叶片尾缘出流气体流动特性数值分析

通过RNG k-ε湍流模型求解可压流的N-S方程,研究燃气轮机涡轮导向叶片尾缘劈缝出流冷气的流动情况。对斜劈缝涡轮叶片的尾缘部分建立了二维模型,根据航空发动机工况设置边界条件并进行数值模拟。研究表明,由于外流和叶片叶盆尾缘厚度的影响,叶盆尾缘端部形成局部回流,叶片尾缘劈缝气体流出后受压力梯度的影响先抬起与叶背面分离,在流过一段距离后由于跨音速流膨胀波的作用,冷气流再次附着在叶背尾缘上。文章讨论了涡轮叶片叶盆不同尾缘厚度、倾斜角度、几何造型对尾缘劈缝处流体流动特性的影响,对比了不考虑外流流动影响时尾缘劈缝处流动情况的影响。      

基于桥接线的涡轮叶片尾缘劈缝建模方法研究

航空发动机涡轮叶片尾缘劈缝是一个复杂的曲面,设计过程繁琐,造型过程中易出现与叶身连接不光顺的问题。针对尾缘劈缝的几何结构特征,提出一种基于桥接线的涡轮叶片尾缘劈缝的建模方法,以尾缘劈缝截面线和叶身内形曲面为边界条件,采用模拟退火算法创建桥接线,以此为基础完成尾缘劈缝的建模。开发了尾缘劈缝参数化建模模块,提高了叶片设计效率,并为航空发动机复杂曲面参数化建模提供了参考     

尾缘冷却跨声速涡轮气动特性的数值模拟

为了明确跨声速涡轮中尾缘冷却措施的引入对其气动性能的影响,针对跨声速涡轮叶栅中压力面半劈缝尾缘冷却方式和尾缘全劈缝冷却方式条件下,叶栅性能和尾缘激波系结构的变化进行了数值研究。结果显示,两种尾缘冷却措施都降低了叶栅能量损失系数,压力面半劈缝尾缘冷却方式效果更好,最佳情况损失系数下降达到48%。冷却流量对作用效果有一定影响,存在最佳值。冷却措施的引入显著改变了尾缘激波系结构,尤其对PSEJ冷却方式,将尾缘激波系压力面分支由原本一道强激波分成三道弱激波。     

涡轮叶片径向倾斜尾缘劈缝减阻能力数值研究

针对传统水平排气劈缝结构流动损失大的问题，提出了径向倾斜排气的设计思想，并围绕其进一步提出了直线式和曲线式两种倾斜劈缝结构。基于数值仿真研究了其内部流场，揭示了倾斜劈缝可减小冷气转折角，抑制旋涡产生，使流动更加平缓，从而减小流阻的机理。通过与水平劈缝的对比分析，初步验证了两种新型劈缝结构使总压损失分别降低了约10%～12%和13%～15%。进一步考虑了燃气外流与冷却气掺混过程对劈缝内流动的影响，仿真结果同样印证了倾斜劈缝对于内流减阻能力的提高。但同时也发现了此类倾斜射流导致掺混损失增大的现象，通过给出两类劈缝结构的涡轮叶栅整体流动损失变化规律为叶片综合性能优化提供了参考。     

涡轮叶片带扰流柱尾缘通道冷气流动的数值分析(“两机”专刊)

在涡轮叶片尾缘通道中添加扰流柱可以改变尾缝内冷气流量的分配及流场均匀性,但同时会增加流阻,因此尾缘通道中扰流柱和尾缝的几何匹配对叶片的换热性能有较大影响。本文采用数值方法,以尾缘通道内无扰流柱模型M0为基准模型,对比分析在静止和三种旋转速度下带有三种不同扰流柱结构的尾缘内部流动。其中,M1添加单列扰流柱,数目13,直径D=2mm;M2与M3添加双列叉排扰流柱,数目分别为16和17,直径D=1.2mm,两模型仅在靠近尾缝1处扰流柱布局不同。数值结果揭示：（1）尾缘通道扰流柱可有效增加各尾缝冷气出流的均匀性,对1~3尾缝内的流动影响较大,小直径叉排扰流柱布置形式更优于大直径单排;（2）与M0相比,三组带扰流柱模型的通道压力损失稍有增加。其中,M2和M3基本相同,因对流场扰动较大,略高于M1;（3）随着旋转速度的增加,尾缝内压力损失逐渐降低,但四组模型尾缝内的流场结构没有明显改变。     

气热耦合条件下涡轮动叶叶型与冷却结构优化

为改善叶片表面温度场,提高叶片气动效率,对燃气涡轮动叶进行了针对叶型以及冷却结构的气热耦合优化。优化结果表明:对冷却结构以及叶型优化后,叶片表面最高温度降低13.64K,平均温度降低6.46K,尾缝冷气出口温度提升6.81K,尾缝出口马赫数由0.24增大至0.30,高温函数降低85.20%,气动效率提高0.58%。通过分析,对该涡轮动叶,尾缘第三腔冷气流动速度的增大及第三腔叶顶冷气低速漩涡区的缩小是减小叶片表面温度的主要因素;型面压差减小导致横向二次流损失的降低及三个截面马赫数减小导致的激波损失降低是减小气动损失的主要因素。     

考虑冷气喷射的涡轮叶栅尾缘损失理论分析

 基于Denton 的尾缘流动理论, 发展了一种考虑冷气喷射的二维、可压涡轮叶栅尾缘混合损失模型,研究了涡轮叶栅尾缘损失的特征, 定量评估了影响尾缘损失的各种参数。研究表明, 冷气流量是影响尾缘损失的一个重要参数, 对于主流马赫数为11 1 的典型情况, 冷气流量从0 增大到10%, 损失增大315 倍。叶片尾缘基压变化对损失也具有明显的影响, 其它影响损失的参数包括叶栅出口位置边界层动量厚度、冷气总压、叶栅尾缘厚度等。     

直肋对扩张型尾缘半劈缝气膜冷却特性影响的实验研究

为探究布置直肋扰流结构的尾缘半劈缝冷却结构的气膜冷却特性,分别采用压力敏感漆技术和瞬态热色液晶技术研究了直肋对扩张型尾缘半劈缝表面的绝热气膜效率和对流换热系数的影响,详细对比分析了吹风比及直肋宽度对三种不同扩张型半劈缝表面的气膜冷却特性。实验结果表明:直肋的加入对小扩张型半劈缝表面的气膜覆盖产生了不利影响,但仅限在小吹风比工况;而直肋对大扩张型半劈缝表面的气膜覆盖有略小的促进作用,但其绝热气膜效率始终低于小扩张型半劈缝表面。肋宽对半劈缝表面的换热增强大小受半劈缝表面形状影响,随着半劈缝表面扩张程度的增大,宽直肋结构的高换热优势逐渐超越窄直肋结构。直肋型尾缘半劈缝冷却结构可有效提升1.45～2倍的壁面热流密度,小吹风比工况时宜选用带有窄直肋的扩张程度较小的半劈缝表面结构,而大吹风比时宜选用带有宽直肋的扩张程度较大的半劈缝表面结构。     

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     

V肋对尾缘劈缝气膜冷却特性的影响

采用压敏漆技术和瞬态热色液晶技术研究了V肋对尾缘劈缝表面气膜冷却特性的影响,获得了不同吹风比及V肋宽度下2种不同尾缘劈缝表面形状的气膜冷却效率和对流换热系数分布的试验数据,并采用净热流密度值评估对比了带有V肋的劈缝结构的综合冷却性能。试验结果表明：V肋的加入对未扩张型劈缝表面的气膜覆盖产生了不利影响,在小吹风比工况下,V肋宽度对面积平均气膜冷却效率无明显影响,相同V肋宽度结构下,未扩张型劈缝表面的气膜冷却效率始终高于扩张型劈缝表面的;V肋宽度对劈缝表面换热强度的影响不明显,V肋在未扩张劈缝表面结构上展现出的强换热性优于扩张型劈缝表面结构;带有V肋的尾缘劈缝冷却结构可有效增大6.9%~26.6%的净热流密度值,V肋宽度对其无明显影响,小吹风比工况下宜将V肋应用于未扩张的劈缝表面结构,大吹风比工况下无需考虑劈缝表面形状。     

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。     

涡轮叶片尾缘凹坑/凸起结构气膜冷却特性研究

为探究吸力面凹坑和凸起结构对涡轮叶片尾缘气膜冷却特性的影响,在吹风比M=1.1时(雷诺数Re=2.5×10~5),采用数值模拟方法,通过在叶片尾缘吸力面上加入凹坑或凸起,对涡轮叶片尾缘的冷却性能和流动机理进行了详细分析。结果表明:与原始结构相比,叶片尾缘凹坑和凸起结构提高了劈缝出口下游远距离端X/H6 (H为劈缝宽度,为4.8mm)区域气膜冷却效率,对下游的X/H6区域气膜冷却效率影响较小;三种叶片尾缘结构,沿着流向方向会产生由二维展向涡到发卡涡,再到流向涡的变化过程,凹坑和凸起结构通过抑制流体的扰动,改变流体流动情况,提高了劈缝出口下游远距离端气膜冷却效率。     

涡轮叶片二维冷却结构参数化设计技术研究

研究了涡轮叶片二维冷却结构的参数化设计技术。采用参数控制点方法实现冷却叶片壁面的变厚度设计,采用隔肋数量、位置参数、偏转角度实现任意数量和形式的冷却腔造型,根据前缘缩进参数确定冷却通道前缘切线弧位置,通过尾缘切割参数实现半劈缝和全劈缝尾缘结构设计。结合叶片外形造型技术开发了造型设计程序,该程序可建立包含任意形式冷却通道和常用尾缘结构的变壁厚二维冷却叶片模型。     

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     

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。     

传热设计流程在涡轴涡轮冷却中的应用

为了设计适用于涡轴发动机涡轮动叶的冷却结构,将一套涡轮传热设计流程应用于动叶冷却结构设计中,设计后对管网计算不能准确模拟叶顶出流提出改进措施。结果表明:管网计算与全三维气热耦合计算流量差异约为8.8%,平均温度差异约10.1%,管网计算具有方案设计的功能,管网计算温度场与三维温度场计算平均温度差异约为7.6%,三维温度场计算具有作为管网计算后续温度场细致分析的功能;采用该设计流程能够有效减少冷却结构设计的盲目性,使冷却结构设计更加灵活方便;改进管网计算边界添加方式后叶顶未发生燃气倒灌,叶顶第一除尘孔冷气量为0.715g/s,第二除尘孔冷气量为0.139g/s,尾缘劈缝总流量为1.935g/s,通过改进边界添加方式能够增加管网计算精度。      

一类冷却导向叶片的多学科设计优化

提出含冲击、孔排及尾缘劈缝气膜、扰流柱复合冷却方式的燃气涡轮导向叶片多学科设计优化的一种方法.介绍了研究对象的结构特点、换热系数计算方法并给出了部分计算公式.建立了一种一类冷却导向叶片的多学科设计优化模型,以某燃气涡轮导向叶片为例,进行了多学科设计优化,获得了较好的效果.      

基于磁共振测速的复合冷却涡轮叶片流动分析

针对传统光学测量技术难以完整地测量涡轮叶片复杂冷却结构内部三维流场的问题，采用磁共振测速（MRV）技术测量了一种复合冷却涡轮叶片内部的三维流场，并重点研究了叶片尾缘的流动特征。在通过MRV数据验证计算流体力学（CFD）准确性和可靠性的基础上，进一步通过CFD研究了全高、半高扰流柱对尾缘弦向出流的影响。结果表明，MRV成功地捕捉到了复合冷却涡轮叶片内部流动特征（如扰流柱和半劈缝处的漩涡结构等）。CFD与MRV数据在尾缘处有一致的出流趋势：气膜孔出流量沿展向逐渐减小，而半劈缝出流量沿展向逐渐增大。通过不同扰流柱设计的尾缘CFD对比发现，全高、半高扰流柱对尾缘流动的影响主要在于增大了流阻和出流的驱动压差，进而改变了出流情况，使得气膜孔整体出流量增大约2.8%，半劈缝整体出流量减小约2.8%。