Multi-scale thermodynamic analysis method for 2D SiC/SiC composite turbine guide vanes

Ceramic Matrix Composite (CMC) turbine guide vanes possess multi-scale stress and strain with inhomogeneity at the microscopic scale. Given that the macroscopic distribution cannot reflect the microscopic stress fluctuation, the macroscopic method fails to meet the requirements of stress and strain analysis of CMC turbine guide vanes. Furthermore, the complete thermodynamic properties of 2D woven SiC/SiC-CMC cannot be obtained through experimentation. Accordingly, a method to calculate the thermodynamic properties of CMC and analyze multi-scale stress and strain of the turbine guide vanes should be established. In this study, the multi-scale thermodynamic analysis is investigated. The thermodynamic properties of Chemical Vapor Infiltration (CVI) processed SiC/SiC-CMC are predicted by a Representative Volume Element (RVE) model with porosity, leading to the result that the relative error between the calculated in-plane tensile modulus and the experimental value is 4.2%. The macroscopic response of a guide vane under given conditions is predicted. The relative error between the predicted strain on the trailing edge and the experimental value is 9.7%. The calculation of the stress distribution of micro-scale RVE shows that the maximum value of microscopic stress, which is located in the interlayer matrix, is more than 1.5 times that of macroscopic stress in the same direction and the microscopic stress distribution of the interlayer matrix is related to the pore distribution of the composite.     

附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制研究

为研究附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制效果和机理,以高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同抽吸方案对叶栅角区流场的影响以及叶栅攻角特性随抽吸流量组合的变化规律。结果表明:不同抽吸方案对叶片通道中的分离流动的控制机理不同,进而会影响叶片负荷及扩压能力;将吸力面抽吸与端壁附面层抽吸结合起来的组合抽吸方案基本消除了位于叶栅吸力面的附面层分离和角区分离,叶栅叶型损失系数显著降低,在5°攻角下,当吸力面抽吸量为1.88%,端壁抽吸量为0.82%时,损失系数相较于原叶栅降低约63.8%;并且进一步研究发现各抽吸槽的抽吸流量均存在其最佳临界值;在进行组合抽吸时,应针对不同攻角工况,在其相应的临界值范围内选择合理的抽吸流量,以达到用较小的吸气量实现对叶栅分离流动的控制。     

轮缘封严气流与主流干涉的损失机理研究

为了研究涡轮转静盘腔中轮缘封严气流与主流干涉的损失机理,在有无封严气流工况下就轮缘封严气流与主流干涉的损失机制和分解量化方法进行了研究。结果表明,轮缘封严气流与主流干涉存在四种损失机制：粘性剪切损失、堵塞效应损失、二次流交互作用损失以及第二级静子的附加损失。设计工况下粘性剪切损失的比例为67.68%,而其他三种损失的比例相当。随着封严流量增加,封严出流的流量和径向速度不断增加而周向速度不断减小,造成四种损失都不断增加。相对于设计工况,每1%封严流量使得总损失平均增加约为104.25%。所建立的损失量化体系准确的捕捉到了转子堵塞效应损失和二次流交互作用损失不断增加的分布,证明损失量化体系是可行和有效的。     

涡轮叶尖流动模式和流动机理研究

采用数值模拟方法研究了涡轮叶片平叶尖和凹腔叶尖两种典型叶尖结构泄漏流动的差异,目的是获取叶尖泄漏流与端壁涡系的相互作用机理认识。识别了涡轮叶尖泄漏流动的三个主要因素:流体源、动力源和损失源,提出叶尖流动模式。结果表明:叶尖泄漏流动的流体源包括压力面侧高压流体、上端壁附面层流体;驱动泄漏流动的动力源为吸力面和压力面之间的横向压力梯度、叶尖与上端壁的相对运动;主要损失源为泄漏流体与主流流体高速剪切形成的泄漏涡、泄漏流体与上端壁通道涡相互作用;通道涡的"低压陷阱"是泄漏流参与通道涡发展的主要原因。     

气膜孔喷气对涡轮气动性能影响的实验研究

为了认识气膜孔喷气对涡轮叶栅气动性能和流场结构的影响,应用涡轮平面叶栅风洞,实验测量和分析了在叶片表面不同位置气膜孔喷气情况下涡轮叶栅流场与性能,实验中气膜孔气流采用与涡轮叶栅相同的空气介质。实验结果表明,前缘气膜孔喷气使得涡轮叶栅损失随喷气流量增大而单调增大;但是,叶片压力面和吸力面气膜孔喷气对涡轮叶栅损失影响规律是复杂的,由于叶片表面不同位置流动特点的不同,在叶片表面不同位置的气膜孔喷气对涡轮叶栅流动损失和流动结构等的影响也是不相同的。     

叶片弯曲对大折转压气机叶栅内分离结构的影响

通过数值模拟,分析了叶片周向弯曲对大折转角压气机叶栅内分离结构的影响。弯角分别为±10°,±20°,±30°。应用壁面流谱的拓扑法则,详细讨论了不同弯角下的分离形态。结果表明,正弯可以有效遏止角区分离,改变吸力面的分离形态,但不能完全消除吸力面的分离。因此一定范围内的叶片正弯可以改善流动,但当弯角大于20°时,流动重新恶化。反弯则使得叶栅内分离趋势增加,气动性能明显降低。     

气膜出流冷气侧气膜孔附近壁面换热特性

为对纯气膜出流冷气侧气膜孔局部换热特性进行实验研究。取气膜孔前后3倍气膜孔径范围为研究对象。通过改变来流雷诺数、气膜出流与来流流密比以及通道高度与气膜孔径比(小于1范围内),对气膜孔的“溢流效应”进行了研究。研究发现,气膜孔局部的换热均随来流雷诺数、气膜出流与来流流密比的增加而强化,随通道高度与气膜孔径比的增大而降低;孔后的换热要好于孔前的换热,各种通道高度与气膜孔径比下,孔后1倍孔径区域努塞尔数普遍比孔前提高大约20%以上;在气膜孔前后越靠近孔的地方换热越强。     

叶片弯曲对不同折转角扩压叶栅冲角特性影响

实验在低速环形风洞上研究了冲角变化对不同弯曲角度、不同叶型折转角扩压叶栅气动性能的影响.结果表明, 随着叶型折转角的增大, 正弯叶栅变冲角性能的最佳弯角范围逐渐缩小, 大折转角正弯叶栅的气动性能受冲角变化的影响要大于小折转角叶栅正弯叶栅;在正冲角下, 60°叶型折转角正弯叶栅性能对弯角变化十分敏感, 此时不宜采用超过15°弯角的正弯叶栅.      

涡轮机叶片振动的非接触测量

在现代工业中广泛使用着各种类型的涡轮机械 ,它们叶片的振动强度是研制过程中最复杂和最重要的问题。因此准确地测量叶片实际振动的频率和振幅成为涡轮机械的一个重要研究领域。文中介绍了旋转叶片传统的测量技术 ,以及近几年来欧美国家正在研究的非接触式旋转叶片振动测量技术叶端定时测量技术。针对某应用对象的测量进行了研究     

气冷涡轮气热耦合数值模拟

应用有限差分方法进行气冷涡轮气热耦合计算,研究了影响气热耦合计算精度的几个因素,包括:流场壁面附近的计算网格、湍流转捩模型以及能量方程中普朗特数的计算等。为了能够应用高精度离散格式,并加快计算速度,采用了气热耦合动力学的微分方程与相应的差分格式,采用了结构化网格。数值计算结果与试验进行对比表明,在流场壁面附近应采用正交性好的网格,并在计算中考虑转捩的影响;而普朗特数的变化对本次计算的影响不大。