旋转诱导燃气入侵的数值模拟

在航空发动机涡轮级中,动盘的旋转会导致主流高温燃气从盘缘封严侵入转静盘腔系统.通过计算流体动力学方法对轴向封严结构下旋转诱导燃气入侵进行了研究,得到了在不同封严冷气流量下盘腔压力和封严间隙处径向速度的变化规律.分别计算基于质量和基于浓度定义的封严效率分布,并得到了相应最小封严流量.在不同旋转雷诺数下,用压力参数法估算了最小封严流量,所得结果与公开发表的经验关系式计算得出的一致.      

涡轮盘腔轴向封严流动的数值研究

利用数值方法研究了轴向封严结构内的燃气入侵与封严流动.研究表明:由于封严间隙处流场参数梯度较大,封严面非匹配网格影响了数值传递从而造成封严效率数值结果偏高.定常数值模拟结果低估了导叶下游静压的周向不均匀性,同时没有考虑转静干涉,所得到的封严效率较非定常结果要高.非定常计算得到的导叶下游静压周向分布与试验结果符合较好,在盘腔子午面内形成3个涡核结构,引导静盘壁面流体流向动盘以补充动盘泵效应所需流量.封严间隙内存在旋转的燃气入侵与出流结构,燃气入侵伴随较大的切向速度,封严间隙内的封严间隙涡对封严效率有积极影响,封严面上径向速度的瞬时值为时均值的3倍以上.燃气入侵受到导叶尾缘周向静压分布和转子旋转的共同影响.      

波浪形非均匀间隙封严结构影响涡轮性能的数值模拟

利用数值模拟的方法研究了波浪形非均匀间隙封严结构和均匀轴向间隙封严结构下轮缘封严气流对涡轮性能的影响.研究表明:燃气入侵与出流结构受到静盘、动盘及主流切向速度的影响,以低于动盘转速同向旋转,并改变了转子的进气条件,增强了压力面马蹄涡强度,因此对转子出口流场造成很大影响.封严气流与上游导叶尾迹的相互作用引起转子通道内熵增,造成涡轮效率的下降.与均匀轴向间隙封严结构相比,波浪形非均匀间隙封严结构使大的入侵与出流结构破碎为小的结构,对涡轮性能的负面影响减小,涡轮效率提高了0.9%.结果证明了波浪形非均匀间隙封严结构在具有较好的封严效果的同时提高了涡轮性能.      

涡轮盘腔燃气入侵及间隙剪切涡特性分析

为揭示转-静相互作用下的非定常燃气入侵机理及轮缘大尺度涡结构的产生机制，对带有轴向封严结构的1.5级高压涡轮装置进行三维非定常数值模拟，结合实验结果和盘腔内的经典流动理论对数值方法进行了验证。研究结果表明：转子前缘压力势场是造成旋转燃气入侵的主导因素。轮缘间隙内的间隙剪切涡是构成轮缘三维非定常流动的主要原因，其强度受到入侵燃气和出流冷气的径向速度、切向速度梯度以及上游边界层共同影响；间隙剪切涡周向方向的旋转有利于加快入侵燃气从动盘侧迁移至静盘侧，缩小动、静盘封严效率差异，当封严流量从0.5%降低到0.25%时，盘腔出口动静盘侧封严效率差值增大175%；间隙剪切涡与旋转泵效应的相互作用对于主流高温燃气在径向方向入侵盘腔具有抑制作用；由燃气入侵机制和间隙涡特性可以得出：文中盘腔出口设置在更靠近转子前缘位置对于提升轮缘密封性能具有正向意义。     

跨声速涡轮轮缘复合封严结构的数值研究

为了保护航空发动机涡轮盘,阻止高温燃气向盘腔内部深入,破坏核心部件,通常将压气机冷气引入转静盘腔,以抵抗高温燃气入侵,并对涡轮部件进行冷却。本文利用非稳态与稳态数值计算方法,研究了跨声速涡轮设计工况(Reφ＞107)下的两种复合封严结构：静盘存在封严环的覆叠封严和动盘带封严齿的咬合封严结构,并与轴向封严结构进行对比。在本文所研究的范围内,对非稳态计算进行快速傅里叶变换(FFT)的结果表明：跨声速涡轮流动中,叶栅通道存在由激波引起的高压区,导致了燃气的剧烈入侵,因此在特征信号频谱中f/fblade=2处存在峰值,这是跨声速涡轮燃气入侵最显著的特点。稳态计算证明复合封严结构封严性能良好。静盘封严环将盘腔分割为上下两个容腔,入侵容腔滞留了绝大部高温燃气,因此高半径处封严效率较低,但盘腔低半径处封严效率明显提高,在Cw≈996时,两种复合封严结构在r/b=0.96以下都能达到很高的封严效率。咬合封严能够增加燃气流动阻力,有效减小封严冷气使用量。但是两种封严结构在当冷气流量系数从Cw=199逐渐增大到2000时,高半径处封严效率并没有明显的提高,封严效率仅提高了20%~30%。     

体积分数法测量几种转静系中的最小封严流量

为防止涡轮盘腔转静系统高温“燃气入侵”现象发生,需要确定最小封严流量.在不同的转速和不同出气间隙下,采用体积分数法分别对6种典型封严结构进行实验研究,以确定它们在不同工况下的最小封严流量并得出其变化规律:在固定的出气间隙值下,最小封严冷气流量随转盘转速的增加而增大,且几乎呈线性变化;对于固定的转速,随着出气间隙的增加,最小封严冷气流量也随之增加.拟合出不同封严结构的级间封严准则函数关系式,并探寻出封严效果最优的封严结构.      

封严间隙对盘缘密封性能影响的数值研究

通过对真实工况下高压涡轮的盘缘封严进行三维数值模拟,研究了3种不同轴向间隙和径向间隙对封严效率和盘腔内流场变化特性的影响规律,结果表明:针对复合封严结构及研究参数范围,由于静盘封严环将盘腔划分为封严外容腔和封严内容腔,而封严外容腔可以有效地将主流燃气阻隔在内,因此封严内容腔具有较高的封严效率。当轴向间隙增大时,封严环轴向重合度会逐渐减小,同时冷气出流阻力降低,盘腔的封严效率因而提高。当轴向间隙一定径向间隙逐渐减小时,封严外容腔径向距离减小,此时盘腔低半径处封严效率升高。     

涡轮级燃气入侵的理论分析及数值模拟

为了分析航空发动机涡轮级中的燃气入侵现象,提出一种研究封严间隙处流动规律的理论方法,并采用全环模型进行了数值模拟。在该理论方法中,动盘旋转、封严冷气、外环主流对流动的影响用三个特征速度来表征;它们的相互作用用速度比来描述。数值模拟结果表明:随着速度比的变化,封严间隙处呈现燃气沿静盘入侵、燃气基本不入侵以及燃气沿动盘入侵等三种流动形式。利用速度比的影响规律,可初步判断封严间隙处的燃气入侵情况以及最小封严冷气流量。     

带缘板修型的静盘深腔型复合封严试验

采用CO₂气体体积分数测量法研究一种带缘板修型的静盘深腔型复合封严结构。同时选取轴向封严结构和叠覆封严结构作为比较基准，重点关注主流雷诺数(0.75×10⁵～9.4×10⁵)、封严流量(流量比0.2%～2.5%)、旋转雷诺数(1.6×10⁵～8.1×10⁵)等典型工况参数对盘腔内压力分布和封严效率的影响情况；并在此基础上开展了相应的数值研究，获得了封严腔室内详细的流场信息。结果表明：在试验设计工况范围内，主流雷诺数的改变对静叶尾缘和动叶前缘的周向压力分布影响显著。主流雷诺数增加，主流通道内压力升高，主流气体入侵加剧；增加封严流量有利于提高盘腔内压力，从而提升盘腔封严效率，但这对静叶尾缘压力影响较小；增加旋转雷诺数会增大静叶尾缘和动叶叶间通道前缘的静压，加重主流气体入侵，降低盘腔封严效率。相比轴向封严结构，叠覆封严结构由于高半径封严容腔的设置，改变了盘腔流场结构，有效地将主流气体阻隔在封严容腔内，保证了低半径盘腔的封严效率在80%以上。新型封严结构的静盘深腔和缘板造型设置，不仅保...     

高低位进气方式对轮缘封严特性影响研究

为了分析高低位进气方式对燃气入侵现象的影响,采用实验和非稳态的数值模拟方法研究了高低位进气方式对盘腔封严特性的影响,对比分析得到高低位进气方式的掺混流动过程。研究结果表明,高低位进气方式对封严效率的轴向分布有影响,高位进气封严效率沿轴向分布呈上升趋势,低位进气反之;在轮缘封严附近,两种进气方式的封严效率几乎不变;高位进气较低位进气有效阻止了入侵燃气向盘腔内部扩散过程,但没有改变封严环附近的扩散过程。     

Flow mechanism between purge flow and mainstream in different turbine rim seal configurations

The rim seal is used to prevent mainstream ingestion to the gap between the vane of a turbine and its blade. In this article, the dolphin lip with a hook configuration and a large seal cavity with hook structures are designed based on the high-pressure turbine datum single shark lip rim seal configuration. The sealing effect and parameters of the flow field are measured by an experiment method and a numerical simulation is used to explain the mechanism. For three configurations, the effect of the leakage slot vortex on the efficiency of the seal and the influence of leakage vortex, generated by the interaction between purge flow and mainstream flow, are discussed in depth. The result shows that the reverse vortex formed by the dolphin lip rim seal with hook structure will increase the sealing efficiency. The seal configuration with a large cavity improves sealing efficiency to a greater extent than the datum structure. At different purge flow rates and with unequal seal structures, the purge flow produces three types of leakage vortices in the passage. Besides, the seal configuration with dolphin lip produces a Kelvin-Helmholtz instability at the interface of the purge and the mainstream flows at a low purge flow rate to induce new leakage vortex branches in the passage of the blade.     

涡轮径向轮缘密封非定常燃气入侵和封严效率的数值研究

为防止燃气入侵涡轮盘腔,提高运行安全性,对盘腔和轮缘密封间隙内非定常流动机理进行了深入研究。采用数值求解三维URANS（Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes）和SST湍流模型的方法,研究了涡轮径向轮缘密封的非定常燃气入侵和封严效率。数值计算的径向轮缘密封的封严效率和环量比与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。分析了6种冷气流量下径向轮缘密封的非定常压力分布、封严效率和燃气入侵与冷气出流特性。研究表明：冷气流量的增加阻止了径向轮缘密封处的燃气入侵和强化了冷气出流,径向轮缘密封盘腔内的封严效率随着冷气流量的增加而增加;动盘附近的封严效率高于静盘;入侵燃气基本被限制在径向轮缘密封的间隙区域。径向轮缘密封间隙出口处的主流周向时均压力随着冷气流量的增加而增加,周向时均压力最大值与最小值的差值随着冷气流量的增加而减小。当动叶前缘与静叶尾缘距离较近且不断靠近的过程,主流周向压力最大值与最小值的差值增大,动静叶相分离的过程周向压力最大值和最小值的差值减小。在静叶和动叶间非定常干涉作用下,轮缘密封间隙出口区域主流周向压力最大值与最小值差值较大时刻的主流低压区域具有优良的封严效率,同时高压区域的燃气入侵导致封严效率降低。     

高压涡轮圆柱孔状径向轮缘密封封严特性的数值研究

径向轮缘密封结构在增大主流燃气入侵阻力同时也会阻碍封严冷气的向上输送,为此提出了一种在径向轮缘密封的径向内齿上打孔来改善其封严性能的设计思路.针对Lisa1.5级高压涡轮实验台,设计了一种传统和五种带孔新型的径向轮缘密封,采用数值模拟方法评定了圆柱孔孔径D和孔心距Sh对封严性能的影响,并揭示了其改变封严特性的流动机理....     

凸起数对各封严结构封严效率影响的实验

实验用二氧化碳体积分数测量法研究了凸起数目的变化对盘腔内各参数（静压、总压、封严效率）的影响,目的是获得不同封严结构的封严效率和最小封严流量随凸起数目的变化规律。实验在主流雷诺数和旋转雷诺数为一定范围内,测量了不同封严流量下的参数。结果表明:在实验工况范围内,凸起的数目变化对腔内的静压影响较小,靠近封严环的静压变化几乎可以忽略;而总压和封严效率都和凸起数目成正比,但不同封严结构的变化程度有所不同。从整体上看,径向封严结构效率的提升最明显,轴向封严和静盘双齿封严改善较小。平均每增加一个凸起,三种结构所需的最小封严流量分别可以减少0.96%、0.30%、0.28%。此外,安装了凸起后,旋转雷诺数对封严效率的影响也会更加明显。      

高压涡轮封严流与主流相互作用的机理研究

为探究高压涡轮轮毂封严流与主流相互作用的机理,借助经过实验校核的数值模拟方法,详细分析了封严流对主流端区二次流结构的影响以及封严流与主流的相互作用过程。研究发现：一方面,主流从叶片前缘位置侵入封严结构内部,在封严出口处形成封严回流涡,并在封严结构内部诱导出一个反向涡,这两个涡直接影响封严结构的封严效率;另一方面,封严出口处封严回流涡与叶片通道内的马蹄涡压力面分支在流向上旋转方向一致,互相融合并增强通道涡强度。封严结构决定了封严回流涡流出的位置和速度方向,直接影响封严回流涡与马蹄涡压力面分支的相互作用过程,从而决定了损失的大小。研究还发现,当封严流和主流在封严出口交界面上流量相当且存在一定的周向速度差时,封严出口会发生Kelvin-Helmholtz不稳定现象。此时伴随大量边界层低能流体进入封严结构内,封严流周向速度减小,马蹄涡的压力面分支和封严回流涡随之减弱,继而使端区二次流损失减小。     

受轮缘密封结构影响的1.5级涡轮封严流与主流的相互作用以及轮缘密封间流动干扰

为探究动叶上游不同轮缘密封结构封严出流对1.5级涡轮端区流场及轮缘密封间流动干扰的影响区别,通过Shear Stress Transport （SST）湍流模型对无密封腔室,上游密封结构分别为简单斜向、简单径向,下游密封腔室为简单轴向的1.5级涡轮进行了非定常数值模拟。结果表明：轮缘密封间干扰使带径向密封结构模型的下游轮缘腔室内封严效率偏低,并增强了固有的非定常不稳定特性。上游密封结构变化对动叶和第2级静叶流动的影响差异分别位于35%、65%叶高范围内;径向密封结构增加了上游静叶的堵塞效应、动叶入口气流的欠偏转程度、叶根吸力面负荷与14%叶高以上的轮毂通道涡强度,并在第2级静叶入口处产生更多低频压力波动,使其尾缘脱落涡尺度增大但13%叶高以上的轮毂通道涡强度较弱。与无密封腔室相比,通入封严气体总量为主流流量的0.8%时,带斜向密封结构的1.5级涡轮气动效率降低了0.94%,且带径向密封结构的1.5级涡轮气动损失额外增加了0.17%。     

高压涡轮封严冷气对主流气动性能的影响

为研究涡轮轮毂封严结构的加入对高压涡轮主流流动的影响,运用数值模拟方法,对无封严冷气喷入的原型和四种封严结构下一级涡轮动静叶的主流流动特性进行细致研究。为保证数值计算的准确性,进行了网格无关性分析和数值方法可靠性验证。研究结果表明:封严结构的加入会降低涡轮动叶效率和级功率,封严冷气射入主流后,冲击主流边界层内的流体,使得局部区域流动发生改变。主流在封严出口处发生流动分离,增大了静叶能量损失,同时影响静叶和动叶流道中通道涡的发展,造成动叶端区流动结构的变化并引起掺混损失。覆叠封严具有的弯曲的封严内部结构,对主流气动性能影响较弱。      

W型封严环表面粗糙度对间隙泄漏流动的影响

金属封严环密封结构的泄漏是影响发动机金属封严环间隙泄漏通道内气体流动的因素之一。本文采用有限元分析软件建立不同表面粗糙度下的泄漏通道模型;采用CFD 技术对不同结构的间隙内流体流动进行数值模拟,研究表面粗糙度对泄漏流动的影响;计算封严环的泄漏率,通过密封试验验证计算结果的正确性。结果表明：气体在泄漏通道内受到表面粗糙度的影响,靠近粗糙壁面处产生明显的回流现象,降低了通道内流体的泄漏流速;在接触应力不变的条件下,密封间隙的泄漏量随表面粗糙度的增大而增大,提高封严环的加工精度能够降低表面粗糙度从而增强其密封性能。