叶尖间隙测量技术在离心压气机试验件上的应用

主要介绍了电容式叶尖间隙测量系统的各组成部分,间隙测量设备在离心压气机试验件上的安装方式和标定方法。通过对离心压气机试验件的叶尖间隙进行实时监测, 获得了离心叶轮进口、中间和出口截面叶尖间隙随转速增加而减小的关系,保证了试验的安全性和试验件的完整性。分析叶尖间隙和转速关系可以为后续减小叶尖的冷态间隙和优化离心叶轮叶尖流道和叶轮外罩流道提供试验数据支持,叶尖间隙测量技术在离心压气机试验件上的应用为确定最佳的叶轮间隙及以后的型号研制提供了重要的数据支持。      

叶尖间隙流动对某微小型离心压气机性能的影响

为研究微小型离心压气机在不同叶尖间隙下的性能变化,对某高速跨声离心压气机进行了带间隙的三维黏性流场数值模拟,详细分析了在不同的间隙情况下压气机内部流场特征和性能变化趋势.结果表明,随着叶尖间隙增大,叶轮流道内泄漏流动的强度明显增强,导致叶轮的增压能力下降,效率降低,以至于压气机整级压比、效率和流量都有所下降,压气机的稳定裕度也受到了明显的影响.      

大叶尖间隙下叶栅性能数值模拟

利用NUMECA软件对某线性叶栅的三维流场进行了数值模拟,对比研究了小叶尖间隙和大叶尖间隙时叶尖泄漏涡流的形成和发展,探讨了叶尖间隙大小对叶栅流场和气动性能的影响。研究表明,随着叶尖间隙的增大,叶尖泄漏射流发展成为叶尖泄漏涡,涡流范围不断增大,涡流强度增大趋缓,涡流使得气流偏转减小。从小间隙逐渐增大到大间隙,总压损失与叶片载荷均增大,而在大叶尖间隙时,总压损失增加并不显著,叶片载荷增大趋缓。其结论为进一步揭示叶尖间隙涡流的流动机理以及工业燃气轮机的优化设计提供了参考。     

涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙变化特性分析

为了分析涡轮叶片裂纹故障的3维叶尖间隙动态变化特性,以3维叶尖间隙动态测量试验台上的模拟涡轮转子为研究 对象,建立了涡轮叶片3维叶尖间隙的有限元分析模型;采用数值仿真分析方法分别深入地分析了无裂纹涡轮叶片和不同长度裂 纹叶片3维叶尖间隙的动态变化特性。结果表明：对于无裂纹涡轮叶片,气动载荷会导致其发生弯曲变形,进而,导致轴向偏转角 呈先增大后减小的变化趋势,周向滑移角则逐渐减小,并且气动载荷对轴向偏转角和周向滑移角的影响比对径向间隙的影响更为 显著;对于有裂纹涡轮叶片,在气动载荷、离心载荷、叶片尾缘裂纹故障以及叶片自身形态等多种因素的共同影响下,导致径向间 隙呈现逐渐增大,而轴向偏转角和周向滑移角均呈现逐渐减小的变化趋势。     

机动飞行下的涡轮叶尖间隙动态变化规律

在对涡轮叶尖间隙的变化机理进行初步分析的基础上,建立机匣、叶片和转子的简化模型,并重点研究了转子在飞行器机动飞行情况下的振动幅值对叶尖间隙的影响.结果表明:高压涡轮叶尖间隙动态变化范围约为0.44mm到1.45mm,同时飞行器均加速导致的转子振动会引起间隙局部增大或减小,俯仰机动和水平盘旋机动飞行都会使得间隙动态变化的非线性明显增强.      

突肩叶尖开槽对叶尖间隙流动和冷却特性的影响

为了分析不同叶尖形式下的间隙泄漏流动,采用标准k-ε两方程模型求解雷诺平均N-S方程组的数值方法,研究了突肩叶尖开槽对叶尖流动和冷却特性的影响,气膜孔位置、机匣相对运动和吹风比也在考虑范围之内,详细分析了间隙泄漏流场、泄漏流量、泄漏损失以及叶尖气膜冷却效率。研究结果表明:突肩叶尖前缘和尾缘开槽均会使间隙泄漏流量增大,且随着开槽长度的增加而增大。压力侧尾缘开槽会使间隙泄漏损失增大,叶尖气膜冷却效率略微降低;吸力侧尾缘开槽会使得部分泄漏流从开槽处流出间隙,抑制泄漏流与主流之间的掺混,从而减小泄漏损失,并且会使叶尖气膜冷却效率增大;吸力侧前缘开槽对间隙泄漏损失和叶尖气膜冷却效率没有明显影响,但是从前缘进入凹槽内的泄漏流会改变叶尖表面气膜冷却效率的分布。吹风比增大时叶尖结构对叶尖气膜冷却效率的影响减小。机匣相对运动会减小叶尖间隙泄漏流量、泄漏损失和叶尖气膜冷却效率,但是突肩开槽的影响规律不变。     

涡轮叶冠换热特性实验与数值模拟

利用数值模拟及实验方法对涡轮叶冠间隙流场换热特性进行了研究,分析静止状态下叶尖泄漏流雷诺数、前后孔岀流比、叶尖间隙等参数对叶冠的表面传热系数的影响.结果表明:叶冠转速的变化对表面传热系数影响较小;随着泄漏流雷诺数的增加,叶冠的平均表面传热系数增大;平均表面传热系数随前、后孔岀流比增大而增大,其中前孔出流比的影响较为明显;叶尖间隙减小,平均表面传热系数增大,并且随叶尖间隙的减小,增长越来越快.将计算与实验结果进行了比较,吻合良好,误差小于10%.      

叶尖间隙对离心叶轮偏置分流叶片工作机理的影响

采用计算流体力学方法研究了不同叶尖间隙情况下偏置分流叶片提升离心叶轮性能的机理.叶尖间隙较小时,主叶片吸力面附近分离区导致主要损失,分流叶片偏向于主叶片吸力面利于削弱损失、提升叶轮性能;随着叶尖间隙的增加,泄漏流的影响增加以至损失集中于分流叶片和主叶片压力之间的通道,分流叶片宜向主叶片压力面偏置,以减少泄漏流在同一通道的聚集.叶尖间隙和分流叶片周向位置对间隙泄漏流、叶片吸力面分离形成的损失及相互关系有着耦合影响,分流叶片周向位置的改变可以调整通道的横向压力梯度、泄漏流掺混入主流的位置,改善分流叶片两侧通道的损失的分配,分流叶片最佳偏置方向随叶尖间隙的大小而发生改变.      

叶尖间隙分布对内燃机增压压气机性能影响

采用三维CFD(计算流体动力学)方法,对两种相反叶尖间隙分布方式的无叶扩压器压气机级进行了详细流场分析,研究了叶尖间隙分布对跨声速离心压气机叶轮及扩压器性能的影响机理.结果表明,非均匀分布弦向间隙分布叶轮有较宽的稳定工作范围;出口轴向间隙小于进口径向间隙的压气机级压比和效率明显高于出口轴向间隙大于进口径向间隙的压气机级.较小的出口轴向间隙削弱了叶轮通道后半段间隙流动,显著提高了叶轮后部做功能力,获得更高的级压比;并使叶轮后部间隙涡强度及涡在叶轮通道和扩压器通道内耗散损失小,压气机级效率更高.      

端壁转动对凹槽叶尖流动换热性能的影响

为了研究端壁转动对跨声速凹槽叶尖流动换热性能的影响,采用数值方法,详细研究了三种冷却孔结构凹槽叶尖在端壁转动条件下的叶尖间隙流场、冷却流流态、气膜冷却效率、叶尖表面换热系数和叶尖泄漏流量,同时考虑凹槽深度和端壁转动速度的影响。结果表明:端壁转动在叶尖凹槽内形成与泄漏流分离涡方向相反的旋涡,使泄漏流在凹槽底面的再附增强,在凹槽突肩的再附减弱。端壁转动能减少叶尖泄漏流量,研究范围内,叶尖相对泄漏流量最多减小20%。随着凹槽深度增大,叶尖平均气膜冷却效率随之增大,叶尖平均换热系数和叶尖泄漏流量随之减小。随着端壁转速减小,叶尖泄漏流量随之增大,压力侧和吸力侧冷却孔模型的叶尖平均气膜冷却效率随之减小,而中弧线冷却孔模型的叶尖平均气膜冷却效率随之增大。压力侧喷入冷却气流,叶尖的气膜冷却效果最好。     

轴流压气机转子叶尖间隙流动结构的数值研究

为进一步加深对轴流压气机转子叶尖间隙内泄漏流/涡流动结构的认识,针对某台用于高压压气机低速模拟的四级重复级大尺度轴流压气机上的转子,采用定常数值方法开展了详细的研究。首先用已有的试验结果校核了计算方法的可靠性,随后研究了设计点工况下端区复杂流动结构和流动损失的机理,最后比较了无叶尖间隙和不同叶尖间隙大小的轴流压气机转子端区流动结构的差别,以及设计点和近失速情况下叶尖泄漏涡结构、泄漏流/主流交界面、端壁堵塞以及端壁损失的区别。结果表明,在62.5%间隙高度以下的叶尖区域内,从前缘叶尖间隙流出的流体会卷吸成叶尖泄漏涡,且随间隙高度的增加其占据的叶尖泄漏涡的位置由内而外;而在62.5%间隙高度以上,从转子前缘间隙内流出的流体不会卷吸成叶尖泄漏涡,随间隙高度的增加流动受叶尖泄漏涡的影响越来越小,更易出现二次及多次泄漏,且所占据的弦长范围也更宽广;设计状态下,叶尖泄漏涡在向下游发展的过程中会逐步膨胀,并与主流强烈掺混,无量纲流向涡量迅速减小,但无量纲螺旋度值显示其仍能保持集中涡的特征。     

一种叶顶叶栅结构对压气机间隙流动的影响

为减小压气机间隙流动带来的流动损失,提出了一种新的叶顶结构,即在常规叶片叶顶上构造出由数个小叶片组成的叶栅.通过对具有该结构叶片的三维流场进行数值模拟,分析了端壁移动对压气机间隙流场的影响.结果表明:该结构明显改善了叶顶附近的流动状况,从泄压和导流两方面抑制了叶顶附近流体从压力面向吸力面的泄漏,有效削弱泄漏涡的强度,进而减小泄漏涡扩散带来的损失,提高了压气机气动性能,相比常规叶片叶栅出口总压损失系数减小达1.158%.      

机匣转静刮磨后轴流压气机气动性能评估研究

为揭示机匣可磨耗涂层磨损造成的叶尖间隙和粗糙度变化对压气机气动性能的影响规律,针对不同刮磨形貌下Rotor 37转子性能进行了数值模拟研究。结果表明,压气机等熵效率和出口流量对刮磨间隙和粗糙度的变化较为敏感,降幅最高可达1.78%和0.83%,而压比变化不大;刮磨间隙深度增加,刮磨最深位置前移时,叶尖泄漏增强,泄漏流与上端壁附面层及主流相互作用演变为泄漏涡,与激波相互干涉,造成较大的叶尖损失;压气机气动性能受磨损区域粗糙度影响较小,虽然等熵效率对粗糙度变化较为敏感,但最大降幅也仅为0.38%。磨损区域粗糙度增加时,近壁区湍流波动加强且气流更易分离,引起叶尖泄漏流和叶片尾迹区域的流动结构变化,使压气机气动特性向低流量方向偏移。     

不同顶部间隙对跨声风扇转子的影响分析

为研究跨声压气机叶尖间隙流动对性能影响的特征,数值计算了某高负荷跨声风扇转子在种等高间隙和两种阶梯间隙结构下的性能.通过对总体性能参数和叶尖区静压、周向速度、熵等细节参数的分析,认为叶尖前段间隙流比后段间隙流对压气机性能的影响更大.其中,涡波干涉对于前段间隙流带来的危害尤为重要.比较阶梯间隙的计算结果,验证了这一推断.      

非轴对称尖部间隙对轴流压气机性能影响的实验研究

在实际的压气机中,转子尖部间隙总是不同程度地存在着非轴对称性。针对非轴对称尖部间隙对压气机性能的影响,本文设计了一系列结构,在一台亚音速单、双级轴流压气机实验台上对其孤立转子进行了实验研究,分析和比较了各种结构形式对压气机性能的影响。实验表明,非轴对称尖部间隙的存在,将使压气机的稳态和过失速性能下降。      

叶顶间隙对轴流压气机性能及流场的影响

针对由磨损、机械损伤等因素造成的动叶叶顶间隙变化对压气机性能的影响,以某已知参数的1.5级压气机为研究对象,采用NUMECA软件分别对不同大小的均匀及非均匀间隙情况进行了数值模拟。通过改变背压条件,设定均匀及非均匀情况下不同的叶顶间隙值,模拟了变工况下压气机的气动性能,绘制了压气机流量特性线;同时分析了不同叶顶间隙对内部流场及流动的影响。数值模拟结果表明:动叶叶顶间隙增大时压气机的效率、压比等出现了衰退,且不同间隙情况对性能衰退程度的影响也不同,这对压气机非设计工况下的性能预测具有一定的参考价值。     

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。     

Dual stability enhancement mechanisms of axial-slot casing treatment in a high-speed mixed-flow compressor with various tip clearances

The influence of Axial-Slot Casing Treatment (ASCT) on the performance and stability enhancement mechanisms of ASCT were experimentally and numerically investigated in a high-speed mixed-flow compressor under three different tip clearances. Unsteady simulations showed the compressor stalled through end-wall stall route, i.e. the spike stall inception originating from rotor tip region, which was validated by dynamical measurements. When the ASCT was applied, greater than 20% of Stall Margin Improvement (SMI) could be achieved for the compressor under each tip clearance size. The streamwise velocity contours and flow structures in the tip region and axial slots were deeply analyzed to explore how the so called “suction and injection effects” generated by the ASCT manipulate tip clearance flow and enhance the stability of compressor under different tip clearances. It was found that the dominant stability enhancement mechanisms of ASCT varies with tip clearance size for the mixed-flow compressor. (A) For the small tip clearance, the dominant mechanism of stability enhancement is the blockage reduction generated in the blade passage by the suction effect of ASCT. (B) For the large tip clearance, the injection effect of the ASCT is the dominant mechanism of stability enhancement with ASCT, which plays the leading role in delaying the spillage of incoming/tip leakage flow interface at the rotor Leading Edge (LE) plane.