二次流动对气冷涡轮叶栅流场的影响

针对典型跨声速高压涡轮叶型平面叶栅吸力面单排孔气膜冷却,采用数值模拟方法,比较分析了加入气膜冷却前后流场变化。结果表明,由于二次流动的影响,加入气膜冷却以后吸力面后部接近下壁面处没有受到冷气保护而直接暴露于主流高温燃气,在实际高压涡轮中将极大的降低叶片寿命。没有气膜冷却情况下,吸力面接近下壁面处边界层仍有可能因受到二次流动的影响发生转捩;加入气膜冷却情况下,气膜孔中心位置下游边界层由于射流和主流的相互作用将转变为湍流边界层,而由于孔间距的影响,只有射流和主流充分掺混以后才能影响到整个叶片的范围。     

轴流涡轮基元级静叶稠度特性的数值研究

针对不同静叶稠度(静叶叶片数)的轴流涡轮基元级进行了非定常数值模拟,研究了静叶稠度对涡轮基元级流动状态和损失情况的影响.结果表明静叶稠度的改变对涡轮基元级流动状态和损失的影响直接与动叶稠度相关.静叶稠度的改变影响通过涡轮基元级的流量,在动叶稠度不变时,会引起涡轮基元级反力度的改变.静叶稠度增加到一定程度时,会使气流在静子中的膨胀加速过于剧烈而产生激波损失及激波与边界层干涉带来的边界层分离损失.静叶稠度减少到一定程度时,会使转子中的流动状态极大恶化,进口极大的负攻角致使动叶压力面发生大范围的分离.存在一个最佳的静叶稠度,使涡轮基元级的损失最小.      

气膜冷却对激波与边界层相互作用影响的数值模拟

针对跨声速平面叶栅中气膜冷却对流场的影响,采用数值模拟的方法,分析了激波和边界层的相互作用及引入气膜冷却之后三者之间的影响。结果表明,由于激波形成的逆压力梯度导致边界层出现分离现象,在引入冷却射流以后被部分抑制,流场细节显示在原分离处新形成了两个方向相反的分离旋涡。保持冷却条件不变,随着孔间距的减小,边界层分离现象被抑制的效果更加明显,平面叶栅热力损失系数逐渐减小。当孔径和孔间距之比达到0.67时,相对于没有引入气膜冷却的情况,热力损失系数降低了13%。冷气流量对射流和主流相互作用流场影响显著,冷气出口局部超声速区域显著增大流场损失,降低冷却效果。     

轴流涡轮基元级动叶稠度特性的数值研究

利用商用软件数值模拟了5个不同动叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况,以研究动叶稠度对轴流涡轮基元级性能和流动情况的影响.通过对动叶稠度对基元级反力度、叶片进出口气流角、转子和静子中的流场及损失影响情况的考察研究,发现动叶稠度的改变对涡轮基元性能和流动情况的影响与静叶稠度存在重要关系.静叶稠度不变时,动叶稠度的改变通过影响流过涡轮基元级的流量来使基元级的反力度发生变化.当动叶稠度过大时,气流在转子中会过度膨胀加速而产生激波损失及其与附面层干涉形成的流动分离损失.动叶稠度过小时,转子进口会出现极大的正攻角致使动叶吸力面发生大范围的流动分离.静叶稠度一定时,存在一个最佳的动叶稠度,使涡轮基元级呈现最好的性能.      

高压涡轮气冷叶片冷却掺混损失数值研究

为探索高压涡轮气冷叶片多排冷却孔出流对各排孔冷却掺混损失的影响,采用三维粘性流场数值模拟技术,对典型气冷叶片多排孔冷却射流流场和叶栅性能进行了研究,并将冷却掺混损失数值计算结果与Hartsel模型预测值进行了对比。研究结果表明:气冷叶片表面多排冷却孔射流相互作用对各排冷却射流与主流掺混引入的流动损失影响较小,各排射流冷却掺混损失相互独立具有简单的可叠加性质;叶片表面各区域冷却射流出流对叶栅性能影响程度有所不同,尾缘劈缝与吸力面冷却射流对叶栅性能影响较大,前缘区域次之,压力面冷却射流对叶栅性能影响较小;和数值计算结果相比,总压损失系数Hartsel冷却掺混损失模型预测值偏高,尤其对于尾缘和吸力面主流马赫数较大的区域,损失模型预测值为计算结果的2~4倍,而前缘和压力面预测值和计算结果符合性较好。     

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。     

基于流动控制技术的低稠度大负荷涡轮设计

针对基于Pack B叶型的低稠度大负荷涡轮叶栅,采用定常数值模拟方法研究了两种流动控制技术——射流襟翼与Gurney襟翼(圆形、方形和圆弧凸起形)对低雷诺数下涡轮叶栅流动分离损失的控制.结果表明,射流襟翼和Gurney襟翼均可使主流流动偏转,增大叶型的气流转折角,影响叶型载荷系数;由于主流流动的偏转,影响并加速相邻叶型吸力面边界层流动,使得主流对于相邻叶片吸力面后缘处的逆压梯度降低,推迟了边界层层流向湍流的转捩,延长加速区,推迟了边界层分离,使得再附点位置提前,减小由逆压梯度引起的叶型吸力面分离区范围;H=1%的圆形Gurney襟翼和H=0.8%的方形Gurney襟翼均能在保证提高同等水平Zweifel载荷系数值的同时,将能量损失系数降到与设计栅距时相当的水平.     

基于表面“凹槽”与“陷窝”技术的低雷诺数涡轮流动损失控制

分别基于“凹槽”和“陷窝”技术对低雷诺数条件下涡轮流动损失控制计算研究.对于“凹槽”技术,采用三维大涡模拟数值方法深入分析凹槽位置、雷诺数等因素对控制效果的影响,同时采用实验分析的方法针对陷窝流动控制技术展开了深入地研究.结果表明:①增大扰动波幅值或选择合适的扰动波频率均可获得明显的控制效果;②二维展向凹槽处理扮演着“扰动发生器”的角色;③三维球窝不但扮演着“扰动发生器”的作用,还扮演着“旋涡发生器”的角色.球窝尾流区内高频率的旋涡形成与脱落,不但产生了加强流动掺混所需的旋涡,也产生了促进分离泡转捩所需的扰动.     

压力面气膜冷却数值模拟

针对典型高压涡轮叶型平面叶栅压力面气膜冷却,采用数值模拟方法,比较分析了不同冷气进口方式对计算结果的影响,并对冷气入射角度等参数对叶栅流场和性能的影响规律进行了研究。结果表明,在没有考虑二次流流动影响情况下,平面叶栅中通过管道给定冷气进口和直接在叶片表面给定冷气进口这两种方式对气膜冷却数值模拟结果影响很小,能量损失系数的差别仅为1%左右。冷气入射增加了叶栅损失,但能量损失系数与冷气入射角度并不是简单的单调关系,在入射角度从15°到60°的变化范围内,能量损失系数存在最小值,对应冷气入射角度在30°左右。     

低雷诺数高负荷低压涡轮叶型的气动设计

采用平面叶栅实验和数值模拟研究了不同负荷分布设计以及基于二维展向凹槽处理的非光滑型面设计对高负荷低压涡轮叶型流动损失的影响规律.研究表明:在低雷诺数状态下前加载负荷分布设计对高负荷低压涡轮叶型的二维气动性能更有利;二维展向凹槽处理的非光滑型面设计能够有效改善高负荷低压涡轮叶型在低雷诺数状态下的气动性能,但同时可在一定程度上恶化叶型在高雷诺数状态下的气动性能;基于二维展向凹槽处理的非光滑型面设计与后加载负荷分布设计的结合能够在更为宽广的雷诺数工况范围内改善叶型的气动性能.