风扇静叶扇形叶栅实验方法及其气动特性的数值研究

以高负荷风扇的末级静叶为研究对象,提出一种扇形叶栅实验方法,可以在不考虑动叶的情况下模拟静叶在压气机级内的进口气流条件,从而实现真实的静叶性能研究。利用数值模拟方法分析该方法的可行性,然后对静叶的气动性能展开详细研究,分析不同来流马赫数下的静叶流场参数。结果表明：本文提出的实验方法可以为静叶提供接近真实动叶出口条件的气流参数,该研究静叶的方法用于实验是可行的。对静叶的气动性能分析发现,进口马赫数变化对静叶中径附近20％～60％叶高影响较大,尤其是40％叶高处流场结构和参数受来流马赫数的影响最大。     

大型汽轮机调节级动叶栅温度场分析

超临界汽轮机调节级承担着较大的焓降,温度梯度更大,会引起高压缸各级相当大的热应力和热变形,特别是调节级动叶栅及调节级处的转子表面的温度变化较为剧烈,这将影响机组的启停及变工况速度,不利于机组的调峰。而本文以某600MW超超临界汽轮机为例,建立了调节级动叶栅的有限元分析模型,模拟出整个动叶栅及转子表面的温度分布图,为研究超超临界汽轮机各级叶片和转子热应力的分析提供了理论基础,并为机组的启动优化提供了参考。     

燃烧室出口旋流对静叶栅端壁流动型态和传热冷却特性的影响

贫油预混燃烧室出口的强旋流和温度不均匀特征向下游迁移,直接影响了下游涡轮静叶栅端壁的气动性能,进而改变了气膜冷却端壁的传热冷却特性。设计了具有典型速度和温度出口特征的燃烧室,与实验数据对比,验证了设计的燃烧室出口具有典型的旋流和温度分布特征。采用数值求解三维雷诺平均N-S方程和剪切应力传输湍流模型SST k-ω研究了燃烧室出口旋流对静叶栅端壁流动型态和传热冷却特性的影响。对比分析了燃烧室出口旋流核心与静叶栅沿栅距5个相对位置时气膜冷却端壁的流场型态和传热冷却特性。研究表明：当燃烧室出口旋流中心正对静叶片1时,马蹄涡压力面分支横向迁移被削弱造成滞止点向下游移动,端壁传热恶化,第3排气膜冷却射流被带离端壁,绝热气膜有效度降低;旋流中心正对静叶片2时,马蹄涡压力面分支裹挟第2排气膜冷却射流冲击吸力面,二次冷却效果提升的同时端壁面平均气膜有效度提高,最大值为0.148,无量纲面平均热通量减小了0.055 5。该研究揭示了燃烧室出口旋流对下游静叶栅端壁流场型态和传热冷却特性的影响机制,为端壁气膜冷却布局设计提供了一定的参考。     

透平静叶前缘和压力面气膜冷却实验研究

采用压敏漆(PSP)实验技术测量某F级重型燃气轮机第一级透平静叶前缘和压力面的气膜冷却效率及叶片表面压力分布,初步检验静叶前缘和压力面的整体气膜冷却效果,探讨吹风比、密度比和供气方式等参数对前缘及压力面气膜冷却特性的影响。结果表明:前缘气膜孔采用交错布置,气膜冷却效率分布相对均匀,同时部分未被完全掺混的冷气在下游压力面产生气膜覆盖,随着吹风比增大,前缘冷却喷射在压力面的气膜覆盖范围增大且强度增强,由于受到叶栅通道涡的影响,气膜覆盖区域往下游向中间聚拢,形成气膜三角区;压力面逐排供气意在探讨各排孔在不同吹风比和密度比条件下的基本冷却特性,成型孔的布置使得冷却效率由吹风比主导,各排孔的气膜冷却效率随着吹风比增大而增大;相比于逐排供气,多排孔连供更接近于燃气轮机的真实运行环境,表征了各排孔相互干涉条件下的整体气膜冷却效率分布,多排联供使得冷气在下游逐渐形成累积,近尾缘区域之后表现得尤为明显,同时气膜冷却效率的累积特性基本符合"Shettle superposition"规律。     

颗粒浓度对动静叶栅内非定常流动的影响

采用大涡模拟与Mixture多相流模型相结合的数值模拟方法,运用滑移网格技术,对带有径向导叶的离心泵三维全流场进行耦合计算.对比分析在设计工况下不同颗粒浓度时泵动静叶栅内涡量、压力脉动以及泵流道内涡结构演化过程的区别及联系.结果表明:当动叶逐渐旋转靠近静叶,流道内介质原有的流动情况被改变,且随着颗粒浓度的增大动静干涉所引起的流动结构的改变变得愈发明显;动静叶栅内脉动周期从时域特征上看,与动叶栅的叶片数相同,与介质无关.介质性质的改变只改变压力脉动的程度,在动静叶栅的交界面处,随着颗粒浓度的增大,动静干涉对流动的扰动作用越明显,压力脉动幅度也随之增大;在静叶栅流道内,动叶栅旋转所产生的惯性力逐渐减小,而介质黏性逐渐增大,使得压力脉动情况则变为颗粒浓度为10%时最大,清水次之,颗粒浓度为20%时最小.     

倾扭叶片在热电联产级组中的应用

采用了倾扭复合成型的设计方案，对国产热电机组CC25的低压末两级进行了优化设计。首先以准三维通流计算为基准，对进出口的几何参数进行了调整，兼顾了设计工况和变工况下的气动性能要求，提高了级组的总体运行效率。叶型型线设计采用三次B样条控制成型、径向叠加的方法，按照进出口汽流角的变化规律进行径向扭曲，最终获得三维扭叶片。进一步对静叶片进行斜置，提高了级的流动性能。结果表明：采用合理的静、动叶匹配可有效地减少攻角损失；对静叶进行合理的斜置和扭曲，对动叶采用合理的扭曲规律，可控制反动度的分布，有效减少根部／顶部的次流损失以及减弱流动分离，减少余速损失，改型后CC25机组低压末两级的内效率提高了6．6％。     

涡轮叶栅非定常流动的PIV实验

利用激光粒子图像测速仪(PIV)测量沿叶高平面和叶栅出口速度场的整场信息.实验中,将模拟动叶的圆柱列沿周向依次移动1/4节距,进行叶高平面速度场的测量,查看圆柱尾迹对下游叶栅影响的整场情况;同时研究在不同的相对叶高下,叶片顶部和根部的二次涡会合、脱离情况.研究发现:在较小的相对叶高下叶栅出口二次涡汇合,强度较大;而在较大的相对叶高下二次涡分离.同时,当上游圆柱的相对位置变化时,叶栅流动最高效率对应着圆柱尾迹被输运到下游静叶的前缘附近,最低效率对应着圆柱尾迹被输运到下游静叶的流道中央.     

吸力面翼刀高度对压气机环形叶栅流场的影响

为研究不同高度的吸力面翼刀对压气机环形叶栅流场结构及性能的影响,采用三维定常N-S方程和Realizablek-ε湍流模型,对CDA环形叶栅和同一叶展位置安装的4种不同高度吸力面翼刀的叶栅三维黏性流场进行数值模拟.结果表明:加装吸力面翼刀后,各方案叶栅端壁附近周向压力梯度减小,二次流动得到有效控制.各翼刀方案的叶展中部流动状况均较原型叶栅改善,分离线高度均显著降低.叶栅能量损失系数随吸力面翼刀高度的增加先减小后增大,在计算范围内,吸力面翼刀高度为3.3 mm的方案可较好控制环形叶栅内的二次流动.     

热采筛管冲蚀与腐蚀迭加作用机理

利用高温高压反应釜进行冲蚀、腐蚀和冲蚀腐蚀迭加3种条件下的多元热流体稠油热采防砂筛管损坏模拟实验,采用失重法获得3种条件下筛管挡砂介质的腐蚀速率,434金属棉在迭加条件下的腐蚀速率较纯冲蚀条件下提高了75倍,较纯腐蚀条件下也提高了53%。采用宏观观察、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等方法对腐蚀试样进行宏微观分析,发现迭加条件下材质腐蚀程度均比单一条件下显著。结果表明,在迭加作用下筛管材质的腐蚀速率显著高于单纯冲蚀和单纯腐蚀条件。腐蚀作用对机体的损伤以及冲蚀作用对腐蚀保护膜的破坏两方面相互促进,导致筛管材质损伤程度的增加。     

热采筛管冲蚀与腐蚀迭加作用机理

 利用高温高压反应釜进行冲蚀、腐蚀和冲蚀腐蚀迭加3 种条件下的多元热流体稠油热采防砂筛管损坏模拟实验,采用失重法获得3 种条件下筛管挡砂介质的腐蚀速率,434 金属棉在迭加条件下的腐蚀速率较纯冲蚀条件下提高了75 倍,较纯腐蚀条件下也提高了53%。采用宏观观察、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）等方法对腐蚀试样进行宏微观分析,发现迭加条件下材质腐蚀程度均比单一条件下显著。结果表明,在迭加作用下筛管材质的腐蚀速率显著高于单纯冲蚀和单纯腐蚀条件。腐蚀作用对机体的损伤以及冲蚀作用对腐蚀保护膜的破坏两方面相互促进,导致筛管材质损伤程度的增加。     

静叶时序对高压涡轮性能影响的数值研究

现代航空工业的快速发展,要求不断地提高航空发动机的性能。涡轮作为航空发动机三大核心部件之一,其气动性能的改善对整个航空发动机的性能提高起着至关重要的作用。基于这一背景,通过对某1+1/2级静/动/静布局的涡轮叶片进行数值模拟,改变第二级静叶周向位置,研究时序效应对涡轮性能的影响。发现时序效应对涡轮上游流场影响微乎其微,对涡轮进口流量和落压比的影响不大,主要影响到涡轮效率。从而说明,在叶片设计初级阶段,可以通过时序效应,调整叶片周向位置,改善涡轮性能。     

轮廓度与扭转角偏差对压气机气动性能的影响

压气机叶片实际加工过程中,会出现叶片轮廓度、扭转角等加工超差,对压气机气动性能产生影响。采用S1流面计算和三维数值计算的方法分别研究了轮廓度及扭转角偏差对亚音速压气机气动性能的影响,计算结果表明:轮廓度增大,叶型最小损失值增大;堵点流量逐渐降低,轮廓度为0. 08 mm时,堵点流量减小了1%;峰值效率逐渐降低,但降低幅度较小。扭转角偏差对性能的影响来自于前缘偏转对进口喉道面积与尾缘偏转对叶片出口气流角的改变;扭转角偏差对叶型最小损失值影响不大,±0. 35°扭转角偏差范围对叶片的低损失攻角范围影响较小;扭转角向前缘打开方向增大,流量-压比特性线向右上方平移;扭转角向前缘关闭方向增大,流量-压比特性线向左下方平移;扭转角偏差0. 35°,最大流量减小了0. 67%;扭转角偏差对峰值效率点的影响微弱。     

气流激励下某向心涡轮的谐振响应和高周疲劳研究

研究某可调向心涡轮转子叶片表面压力波动特性,以及由此产生的叶片谐振和高周疲劳. 结果表明:涡轮叶片前缘发生高周疲劳破坏,与实际破坏的位置相吻合. 导流叶片尾缘吸力面的强激波和导流叶片叶尖间隙泄漏流是产生压力波动的主要原因,最大压力波动值出现在叶片前缘. 气流压力波动诱发叶片谐振进而产生高周疲劳,振动过程中涡轮各叶片表现出不同的响应特性,同时产生较大动应力,最大应力位于叶片前缘根部.      

深井离心泵的回归分析与数值模拟

选择了叶轮叶片出口安放角、叶片进口冲角、叶轮出口宽度及导叶进口宽度这4个几何因素,按中心组合试验方法,设计了30组方案．通过FLUENT软件,对冲压井泵的全流场进行数值模拟,获得了额定工况下30组方案的效率．采用四元二次回归方程拟合四因素与效率值之间的函数关系,通过求解回归方程以寻求最优几何参数组合．利用DesignExpert6．0．5软件对回归模型进行分析,得到二次回归响应面图．由图中发现：在给定的范围内,叶轮出口宽度对效率的影响最为显著,表现为等值线最密;导叶进口宽度与叶轮叶片出口安放角次之;叶轮叶片进口冲角对效率的影响最小,表现不显著．通过样机试制及试验,发现在设计工况下采用两级全流场的数值模拟值与试验值相当接近,误差在2％以内,验证了数值模计算的可行性．     

百叶窗浓缩器叶片附近两相流场的实验及磨损预测

采用粒子动态分析仪(PDA)对百叶窗煤粉浓缩器内叶片表面区域的流场分布进行了详细测量,获得了叶片表面附近区域两相速度和流动角的分布。采用磨损率的半经验公式对叶片的磨损进行了预报,并进行了叶片磨损的工业实验。结果表明：叶片磨损严重的区域发生在叶片的下部;后级叶片较前级叶片磨损速度快;同一级叶片上,叶片后端磨损严重。     

离心叶轮流道型线对气固两相流动的影响

以实验方法对旋转离心叶轮内气固两相流动进行了研究。离心叶轮的磨损主要由叶片进口的冲击磨损和压力面的滑移磨损构成。经对实验照片的分析可知,叶轮入口颗粒径向速度的大小是造成叶轮冲击磨损的主要原因。不同流道型线叶轮的对比结果可以证明,改变流道型线能有效地叶轮抗磨损的能力。     

基于正交设计法的潜水泵空间导叶水力优化

运用正交设计法,对井用潜水泵空间导叶进行优化设计,选取潜水泵空间导叶的进口宽度、导叶叶片轴向长度及导叶叶片出口边与导叶场域出口轴向距离,以扬程、效率及轴功率作为评价指标,基于正交设计法设计了9组方案.通过数值计算及极差分析结果表明:导叶叶片轴向长度对潜水泵扬程和轴功率影响显著,导叶进口宽度对潜水泵效率变化较为敏感,保证一定的导叶叶片与导叶场域出口距离能改善潜水泵性能.基于多目标优化设计,可以确定本次研究的最佳方案组合为空间导叶进口宽度25 mm、导叶叶片轴向长度101 mm及导叶叶片出口边与导叶场域出口轴向距离20 mm.通过分析前三级叶轮效率、导叶出口静压及流线分布图看出,优异的空间导叶设计使导叶内部流体状态较好,保证叶轮效率维持较高水平,同时泵内流体保持较好的流动稳定性.     

冲蚀角度对Fe-2.5B耐锌液腐蚀性能的影响

将试样装夹在自制的预设一定冲蚀角度的转盘上进行锌液冲蚀试验,实现流动锌液对试样冲蚀表面0°、30°、60°和90°冲蚀角下的冲刷腐蚀。结果表明:在圆盘转速为70r/min,冲蚀时间为24h的条件下,Fe-2.5B合金(质量分数,%)的冲蚀率随冲蚀角度的增加而逐渐降低,并在高角度下呈现急剧降低的趋势;而316L不锈钢的冲蚀率在冲蚀角为30°时最大,冲蚀角为90°时最小,表现出典型韧性材料的冲蚀率特性。Fe-2.5B合金在流动锌液中的冲蚀率仅为316L不锈钢的33%~38%,其优异耐锌液冲蚀性能依赖于Fe-B合金中网状Fe2B相对流动锌液的阻挡效应。同时,一定韧性相基体的存在对Fe2B在冲蚀过程中起到支撑作用,进而表现出该合金中两相结构在锌液冲蚀中的"腐蚀协同效应"。此外,冲蚀角度的增加造成锌液流速在试样表面的切向冲刷分量弱化而法向冲击分量强化,这使得冲刷对最外层疏松ζ-FeZn13相的移除作用减弱。强的传质过程随冲蚀角度的增加不断弱化,从而使网络状组织结构的Fe-B合金在锌液中的冲蚀率明显降低。     

叶片辊轧过程中变形的影响因素

 针对航空发动机某级静子叶片表面加工形状复杂、导致叶片变形量控制困难的现状,通过高阶拟合曲线方法建立模具和叶片毛坯的三维模型,利用ANSYS/LS-DYNA 软件对叶片的辊轧过程进行模拟。根据模拟结果在叶片截面内选取节点,研究了由轧制摩擦系数、轧制速度、轧制下压量所引起的叶片型面在法向和横向的变形情况,得出了辊轧过程中叶片在不同参数下叶片型面变形的影响规律。研究表明：叶片最大变形区域在叶盆弧面斜率较大位置处,此区域叶片表面的曲率变化较大,应变所产生的误差也最大;变形量总体上随辊轧摩擦系数的增大而增大,随轧制速度的增大而减小,随轧制下压量的增大而增大。研究结果可为航空发动机某级静子叶片加工工艺的方案设计提供理论参考。     

快堆二回路钠泵叶轮与导叶叶片数设计探讨

快堆二回路钠泵是目前世界上最先进的第四代核电核心装备之一,在保证安全运行的条件下提升其运行效率至关重要.基于其原型样机的性能要求和限制尺寸,采用一元设计与CFD相结合的方式进行钠泵叶轮和导叶的水力设计并且探究钠泵叶轮叶片数与导叶叶片数的匹配规律.结果表明:只改变导叶叶片数时,不同的导叶叶片数对钠泵效率和扬程影响的最大差值分别为4.01 %和9.75%的设计参数.设计工况下钠泵叶轮与导叶叶片数的最佳匹配值为:叶轮叶片数为5、导叶叶片数为8,叶轮叶片数为6、导叶叶片数为9,叶轮叶片数为7、导叶叶片数为11,即导叶叶片数在叶轮叶片数的1.5倍附近时,泵的水力性能达到最优值.符合钠泵性能要求且水力性能最优的叶轮叶片数与导叶叶片数的匹配方案为:叶轮叶片数为6、导叶叶片数为11.