燃气透平轮缘密封流动特性和气动性能

轮缘密封是二次空气系统的重要组成部分,能有效抑制燃气入侵盘腔,但过量的封严冷气进入主流会显著影响透平气动性能。采用数值求解三维非定常雷诺时均纳维斯托克斯(URANS)方程组和剪切应力传输(SST)k-ω湍流模型的方法研究了燃气透平轮缘密封流动特性和气动性能。数值模拟得到的轮缘密封封严效率与实验数据吻合良好,验证了数值计算方法的可靠性。研究了3种封严冷气量下的透平轮缘密封的封严效率和气动性能,分析了透平静动盘腔的流场结构和燃气入侵与冷气出流特性。仿真结果表明：在所研究的3种封严冷气流量下,轮缘密封内腔完全封严,较小的封严冷气流量能使末级透平轮缘密封达到较高封严效率;在最小冷气流量时外腔动盘面平均封严效率比静盘面高4.4%。对于末级透平,主流周向压力不均匀分布导致的外环诱导入侵占主导,且动叶前缘附近压力场对燃气入侵的影响大于静叶尾迹压力场。封严冷气质量流量比每增大1.0%,透平级总总效率降低约1.0%,相对动盘壁面封严效率的影响,封严冷气流量对动叶气动性能的影响更大;出流冷气的流动方向相对主流在切向上滞后,使掺混气流以负攻角冲击动叶吸力面前缘,吸力面前缘压力增大。该工作可为轮缘密封流动特性...     

透平级气动及运行参数对轮缘密封封严性能影响的数值研究

以燃气轮机中常用的径向轮缘密封为研究对象,系统深入地研究了透平级压比、转速等参数的改变对轮缘密封封严性能的影响规律。通过求解三维RANS方程组和SST湍流模型,在基于添加示踪流体湍流输运附加变量控制方程的基础上,首先计算得到了4种透平进出口压比、4种透平级转速工况条件下的典型径向轮缘密封的封严效率;其次,对比了不同动静叶片周向相对位置对轮缘密封封严性能的影响。研究结果表明:当透平级压比和转速变化时,将通过影响动叶前缘压力势场分布来影响轮缘密封封严性能;随着压比的增加,周向压力不均匀程度变大,封严效率降低,入侵强度明显强化;当转速由小到大变化时,周向压力不均匀程度得以改善,因此轮缘密封的封严效率得以提高;动静叶相对位置变化会引起静叶尾迹与动叶前缘势场的相对干涉,导致轮缘密封封严效率出现变化,随着动叶的旋转,盘内的入侵流呈现出周期性的强化与减弱。     

前缘倒角对涡轮轮缘密封性能的影响

研究转子叶片前缘倒角结构对涡轮轮缘密封性能的影响机制,在不同封严流量下,对转子前缘带倒角和不带倒角的轮缘密封装置进行数值模拟。研究结果表明：转子前缘倒角结构通过改变前缘附近压力势场从而对主流燃气入侵和封严出流冷气与主流的干涉产生影响。增加倒角结构有利于减弱主流高温燃气入侵的程度,在低封严流量下,最大可使得涡轮盘腔封严效率提高7%;倒角结构削弱了由封严间隙涡和马蹄涡形成的通道涡强度,降低封严冷气与主流干涉造成的气动损失。当封严流量为主流流量的1.3%时,带倒角装置的涡轮级气动效率增大2.1%。     

径向轮缘密封封严效率的数值研究

通过SST湍流模型求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程组,研究了涡轮径向轮缘密封封严特性,采用附加变量法研究了主流入侵程度,数值计算获得的主流通道压力及轮缘密封封严效率分布与实验数据吻合良好,在此基础上研究了几何结构参数对涡轮径向轮缘密封的封严性能的影响规律。结果表明:径向轮缘密封封严效率随着密封内齿长度的增加而升高,随着径向间隙尺寸的减小而升高;密封径向内齿向下倾斜时,密封封严效率提高;与径向内齿安装在静盘侧相比,安装在动盘侧时的密封封严效率更高;密封的轴向及径向等几何参数一定时,采用迎风齿结构可以提高径向轮缘密封的封严性能。     

涡轮轮缘密封非定常主流入侵特性的数值研究

采用附加示踪变量的方法,通过数值求解URANS和SST紊流模型的方法研究了轮缘密封非定常燃气入侵特性和封严效率,计算了不同冷气量下定常和非定常时均径向轮缘密封的封严效率,并与实验值进行了比较,验证了非定常数值方法研究轮缘密封燃气入侵特性的有效性,对比分析了径向和径向-轴向轮缘密封中等冷气量下定常和非定常的燃气入侵特性。结果表明:静叶尾迹和动叶前缘附近的压力势场的非定常干涉效应及盘腔中非定常的压力分布会强化主流燃气入侵;相比非定常计算,定常分析会低估轮缘密封的燃气入侵量及燃气入侵对盘腔流场的影响;相比径向轮缘密封,径向-轴向轮缘密封可以显著提高涡轮盘腔的封严效率。     

1.5级涡轮轮缘密封燃气入侵特性的数值研究

通过雷诺应力湍流模型(SST)求解三维URANS(unsteady Reynods-averaged NavierStokes)方程组,研究了1.5级涡轮双重径向轮缘密封的非定常封严特性,采用附加变量法研究了主流入侵程度,数值模拟获得的动叶前、后腔时均预旋比和静压系数与实验数据吻合,验证了1.5级涡轮动静交界面设置和数值方法的有效性,并在此基础上研究了变工况对动叶下游压力分布与后腔封严效率的影响规律。结果表明:后腔轮缘密封的封严效率高于前腔;后腔上游主流周向压差的开方与主流流量系数成正比;冷气量不变时,随着主流流量的增大,后腔的封严效率逐渐降低至0.4后变化趋缓。     

涡轮轮缘密封封严效率的数值研究

采用三维RANS方程组和SST湍流模型研究了涡轮轮缘密封的封严效率。以实验用模型透平航空发动机涡轮轮缘密封为对象,计算了轮缘密封封严效率,计算结果与实验结果吻合良好,从而验证了数值方法的可靠性。在8种冷却气流流量下,研究了3种不同动静叶轴向距离和轮缘密封轴向位置的封严效率的变化特性,结果表明:在所研究的轮缘密封结构下,随着动静叶轴向距离的增大,主流入侵流量降低,封严效率升高;动静叶轴向距离一定时,轮缘密封轴向位置越靠近静叶,则主流入侵流量越大,封严效率越低。     

间隙结构对轮缘密封封严性能及透平级气动性能影响的数值研究

采用数值求解三维RANS方程和SST湍流模型的方法,研究了间隙结构对轮缘密封封严性能以及封严射流对透平级气动性能的影响。首先,分别对Aachen的一级半透平以及实验测得的轴向轮缘密封结构进行了数值计算,验证了所用数值方法在透平级气动性能以及密封封严性能方面计算的有效性。在此基础上,分析对比了5种封严射流流量下出口面积相同的直缝间隙、倾斜间隙,以及在倾斜间隙基础上改型得到的渐缩、渐扩间隙等4种密封结构的封严性能和封严射流对透平级气动性能的影响。结果表明,轮缘密封间隙结构会影响到间隙射流,进而导致不同间隙结构下透平级总压损失不同。与直缝间隙相比,倾斜间隙可以有效减小封严射流造成的总压损失,同时具有较高的封严性能;渐缩、渐扩间隙的封严性能与倾斜间隙相近,其中渐扩间隙可以更为有效地减小封严射流造成的气动损失。     

轴向轮缘密封导流段几何结构对涡轮级气动冷却特性影响的数值研究

以轴向轮缘密封为研究对象,在传统直缝密封间隙结构的基础上,通过改变轴向外齿间隙区域的几何型线,设计了双曲线、椭圆及圆型密封导流段结构,数值求解了三维RANS方程组和SST湍流模型,并且系统深入研究了这4种不同导流段几何结构下轮缘密封射流对涡轮级的气动性能,以及对下游动叶端壁冷却性能的影响规律。研究结果表明:所设计圆型、椭圆型以及双曲型导流段结构均可提高涡轮级整体气动性能;圆型密封导流段结构具有最佳的气动性能以及端壁气膜冷却效果。相比于直缝型导流段结构,采用圆型导流段结构在相同的冷气流量下,涡轮级效率可提高约0.23%;在动叶前缘轮缘密封射流所覆盖的冷却区域,采用圆型导流段结构时冷却效率可提高约20%。     

采用样条曲面非轴对称端壁成型的高压涡轮动叶气动优化

为了提升高负荷涡轮级的气动效率,发展了基于样条曲面的非轴对称端壁造型方法。以该参数化造型方法为基础,结合高效智能优化算法和经过校核的数值仿真方法,建立了涡轮非轴对称端壁设计优化平台,并以某小展弦比高压涡轮级为研究对象,以效率为优化目标,以流量为约束条件,在级环境和发动机工况下开展了非轴对称端壁优化设计。结果表明：优化设计后的涡轮动叶相对于参考设计,涡轮级的总总效率提升0.26%;非轴对称端壁造型改变了动叶下端壁附近的压力分布,动叶吸力面侧压力系数相对于参考设计显著提升,这降低了动叶叶片通道内的横向压力梯度,抑制了通道中的二次流动;非轴对称端壁造型改变了叶片通道中的涡系结构,相对于参考设计,非轴对称端壁造型使得马蹄涡压力面分支在叶片通道内部沿着叶片压力面迁移,在靠近通道出口的位置才汇入通道涡,这削弱了通道涡的强度,进而降低了气动损失,提高了涡轮级效率。     

封严腔几何结构对涡轮性能影响的数值研究

为了研究轮毂封严腔几何结构对涡轮性能的影响,对转/静叶片之间带有封严腔的某高负荷单级涡轮进行了三维定常数值模拟。结果表明,轴向封严的气动效率较高;而径向封严的封严效果更好。篦齿和发卡弯中的旋涡是导致这两种封严结构性能差异的主要原因。内侧封严腔中的小尺度旋涡对入侵的燃气产生了堵塞作用,是其封严效率提高的主要原因。外侧封严腔中的旋涡对入侵的燃气并无阻碍作用,反而使封严效率有所下降。     

冷却孔布置对透平转静腔室性能影响的数值研究

采用SST湍流模型数值研究了透平第二级转、静腔室的流动与封严特性,分析了冷却孔布置对腔室内的流动、冷却效率以及主流燃气入侵特性的影响。研究表明:冷却孔的位置对上游腔室内的流动影响较大,对下游腔室基本无影响;冷却孔距离上游越近,上游腔室的旋流比越大,级间密封进口的旋流比越小,密封进、出口压比越小,相应的流过级间密封的质量流量越小,上游轮缘密封的燃气入侵量越小,上游腔室转、静壁面的冷却效率就越大;下游轮缘密封出流的旋流比越小,相应的主流通道的流动损失越大,但冷却孔位置对下游腔室内的旋流比和壁面冷却效率的影响很小;随着冷却空气流量的增加,3种冷却孔布置下上游腔室壁面冷却效率的差值减小。     

径向封严腔几何参数对涡轮性能影响的数值

为了研究径向封严腔几何参数对涡轮性能的影响,对转/静叶片之间带有封严腔的某高负荷单级涡轮进行了三维定常数值模拟。结果表明,径向间隙和轴向间隙对气动效率的影响程度大于轴向重叠度,几何参数改变导致轮毂二次流损失的变化是影响气动效率的主要因素。轴向间隙对封严效率的影响最大,径向间隙次之,轴向重叠度最小。气流在发卡弯加速后膨胀形成的大尺度旋涡,是轴向间隙能够产生较好封严效果的物理原因。     

径向封严腔几何参数对涡轮性能影响的数值研究

为了研究径向封严腔几何参数对涡轮性能的影响,对转/静叶片之间带有封严腔的某高负荷单级涡轮进行了三维定常数值模拟。结果表明,径向间隙和轴向间隙对气动效率的影响程度大于轴向重叠度,几何参数改变导致轮毂二次流损失的变化是影响气动效率的主要因素。轴向间隙对封严效率的影响最大,径向间隙次之,轴向重叠度最小。气流在发卡弯加速后膨胀形成的大尺度旋涡,是轴向间隙能够产生较好封严效果的物理原因。     

前缘倒角造型对叶片端区气热性能影响的研究

采用数值计算方法研究了前缘倒角造型动叶的端区气热性能,分析了3种前缘形式(无倒角、直线型倒角、抛物线型倒角)的叶片端区的二次流结构、气动损失和传热特性,对比了有、无前缘倒角时马蹄涡和通道涡对端区流动传热性能的影响机制。结果表明:前缘倒角造型显著减小了端壁前缘区域的切应力、通道下游偏转角和前缘倒角角区的马蹄涡尺寸和强度,但对通道涡的抑制作用较小;前缘倒角削弱了端区横向二次流动,使得通道下游总压损失减小;抛物线型前缘倒角的角区湍动能和马蹄涡尺寸略小于直线型前缘倒角造型的相应参数;3种前缘倒角造型叶片通道下游端壁的平均Nu沿流向均逐渐增大;相对于无前缘倒角造型叶片,带前缘倒角造型叶片的端壁前缘区域节距方向平均Nu最高下降了约40%。,但通道下游端壁节距方向平均Nu仅下降约8%;在通道下游,抛物线型前缘倒角叶片端壁节距方向平均Nu略低于直线型前缘倒角叶片。     

非轴对称端壁透平级气动性能的数值研究

采用双控制型线方法对高负荷低展弦比透平级完成了非轴对称端壁造型设计;采用RANS方程和考虑转捩模型的SST紊流模型对轴对称端壁透平级和非轴对称端壁透平级进行了气动性能的分析和对比.结果表明:非轴对称端壁造型设计方法通过降低周向压力梯度减小了透平级的二次流损失,提高了透平级效率达0.16％;静叶流场的变化引起了动叶进口条件的改变,从而导致动叶进口压力和反动度增大.     

叶片前缘造型对压气机平面叶栅气动特性的影响

为探究叶片前缘造型对压气机平面叶栅气动性能的影响规律,基于Fluent软件,采用一种径向参数造型方法对轴流压气机DMU37动叶根部5%叶高平面叶栅进行前缘改型,分析不同冲角下造型参数变化对叶栅流场气动性能的影响规律.结果表明:切削后的叶栅流场出口截面质量平均的总压损失系数变大,但较小切削深度使可计算正冲角范围扩大2°;在0°及正冲角时,切削后的叶栅静压比提高,端部区域低能流体向叶高中间位置迁移,端部区域总压损失变小;切削后的叶栅流场损失特性变化开始于前缘附近,进而影响整个流道,证明前缘对整个流场气动特性变化具有重要作用,为进一步探索前缘造型方法提供了参考方向.     

设计工况下非轴对称端壁造型方法对涡轮动叶性能的影响

为揭示非轴对称端壁控制涡轮动叶二次流的物理机制,采用三角函数造型方法,对设计工况下某一燃气涡轮的第一级动叶进行数值研究.结果表明,只有在合适的非轴对称端壁半径扰动量下,才能获得较好的气动收益;扰动半径在5%～10%叶高内,性能会有所提升.相对于造型幅值,气动性能对造型几何位置更为敏感.本文采用的三角函数造型法主要通过合理降低横向压力梯度,推迟通道涡发展,从而减弱通道涡强度和维度,进而降低流动损失.     

沿流向放样的轴流压气机叶道设计方法

针对高负荷压气机角区流动质量差、流动损失显著的问题，以NASA Rotor37为研究对象，提出了一种轴流压气机叶道几何定义与参数化建模新方法，实现了叶片、角区和端壁结构的协同设计及叶片到端壁的高阶光滑过渡，在此基础上，开展了前缘边条和叶身融合对压气机转子气动性能和内部流场影响的数值研究。结果表明，针对NASA Rotor37流道，采用该叶道设计方法对压气机转子角区改型后：绝热效率提高了0.3%,喘振裕度由11.85%增加至18.8%;下凹端壁可以帮助稳定压气机转子通流能力并减少改型过程的流量漂移；叶身融合结构在叶根处提供径向向上的压力梯度，将低能流体从叶片角区吹向主流区以减少角区流动损失，而近叶根处主流区流动损失略有增加。研究成果对发展轴流压气机先进设计方法应具有参考价值。     

蜂窝叶顶密封对透平级气动性能的影响研究

采用数值计算方法研究了蜂窝叶顶密封的几何尺寸对汽轮机高压缸两级内气动性能的影响,分析了蜂窝密封的几何参数,包括密封间隙、蜂窝孔深、蜂窝孔径对透平级气动性能的影响规律。研究结果表明:随着蜂窝密封间隙的增大,动叶下游静叶内二次流损失增加,透平级内总总等熵效率下降,密封内泄漏量近似线性增加;随着蜂窝孔深的增大,总总等熵效率先增大后基本趋于定值,泄漏量则随孔深的增大先减小然后趋于定值;蜂窝孔径对透平级气动性能的影响主要取决于孔内和密封出口的泄漏流场结构,随着蜂窝孔径的增大,总总等熵效率逐渐增大,泄漏量逐渐减小;蜂窝密封间隙的变化对主流流场的影响显著,蜂窝孔径的变化对主流流场的影响次之,而蜂窝孔深对主流流场的影响较弱。