刷式-迷宫密封泄漏流动和转子动力特性数值研究

为评估刷式-迷宫密封的封严性能和偏心涡动时对转子安全稳定性的影响,采用基于涡动转子法和非线性Darcian多孔介质模型,建立了数值研究刷式-迷宫密封泄漏流动和转子动力特性的数学模型。研究了压比为1.96、3、4.49、6.9,进口预旋速度为-50、-30、0、30、50 m/s和4种转子自旋速度为3×10~3、7.5×10~3、1.5×10~4、2×10~4 r/min下刷式-迷宫密封泄漏流动特性和转子动力特性系数,并与传统迷宫密封进行了比较。研究结果表明:刷式-迷宫密封的泄漏量显著小于迷宫密封,在压比为6.9时,刷式-迷宫密封的有效间隙仅为迷宫密封的25.5%;刷式-迷宫密封的直接刚度随压比和进口预旋速度绝对值增大而增大,随转子自旋速度改变变化不明显;有效阻尼随进口预旋和转子自旋速度的升高而降低。刷丝束具有止旋作用,相比迷宫密封,刷式-迷宫密封的交叉刚度和有效阻尼对运行工况变化敏感度更低,且刷式-迷宫密封的直接刚度在研究工况范围内均大于迷宫密封,临界转速更高。在相同工况条件下,刷式-迷宫密封的封严性能显著优于迷宫密封,正向预旋速度较大或转子自旋速度较低时,刷式-迷宫密封有效阻尼大于迷宫密封,转子系统的稳定性更好。     

蜂窝面迷宫密封内流动和总温升特性的研究

研究了典型燃气轮机蜂窝面迷宫密封内的流动和总温升特性,并与光滑面迷宫密封进行了比较.采用标准k-з紊流模型数值求解了三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程,计算了2种流量、不同转速时蜂窝面和光滑面迷宫密封的内流场以及间隙热系数.计算得到的蜂窝面和光滑面迷宫密封的间隙热系数与实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性.研究结果表明:在相同转速、径向间隙和流量条件下,蜂窝面迷宫密封的总温升高于光滑面迷宫密封,即蜂窝面迷宫密封的间隙热系数高于光滑面迷宫密封,表明蜂窝面的阻尼作用提高了间隙热系数.对于蜂窝面和光滑面迷宫密封,其总温升和间隙热系数随转速的升高而增大,随流量的增大而减小.对于蜂窝面迷宫密封,在相同转速条件下,泄漏流量的增大使得子午面上速度增大,但密封内的泄漏流动形态基本相似,光滑面迷宫密封内的泄漏流动形态也具有类似特性.     

射流角对带小翼凹槽叶顶冷却传热性能的影响

采用数值方法研究了发动机工况下透平级带压力侧小翼的凹槽叶顶冷却传热性能,计算获得了5种流向射流角、3种向压力侧偏转的气膜孔数量、4种向压力侧偏转的射流角布置时的带小翼凹槽叶顶的传热系数与气膜冷却效率,实现了带小翼凹槽叶顶冷却传热性能的提升。研究结果表明：倾斜的冷却射流能有效提升透平级带压力侧小翼凹槽叶顶的传热与冷却性能;随着流向射流角的增大,叶顶传热系数先减小后增大,当流向射流角为120°时,相对于竖直射流,叶顶面积平均传热系数减小了28.26%、气膜冷却效率增大了33.86%;靠近前缘的5个中弧线冷却孔向压力侧偏转能改善凹槽前部的冷却性能,与所有中弧线冷却孔均向吸力侧偏转的方案相比,叶顶面积平均传热系数减小15.65%、气膜冷却效率增大9.51%;当靠近前缘的5个中弧线冷却孔向压力侧偏转的角度为60°时,小翼叶顶的冷却传热性能最佳,与竖直射流相比,其面积平均传热系数减小38.84%、气膜冷却效率增大42.24%,且冷却流对带小翼凹槽叶顶覆盖的均匀性显著提高。     

迷宫齿蘑菇形磨损时密封泄漏特性和转子动力特性系数研究

采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术的Unsteady Reynolds-Averaged NavierStokes(URANS)方程求解方法,研究了迷宫齿蘑菇形磨损对密封泄漏特性和气流激振转子动力特性的影响,计算分析了未磨损以及磨损间隙分别为0.4、0.5、0.6mm时的密封泄漏量,流场以及转子动力特性系数。结果表明:迷宫齿蘑菇形磨损使得密封间隙内缩流面积增加,导致迷宫密封泄漏量随磨损间隙增加而增加,且当磨损间隙大于0.4mm时,泄漏量随磨损间隙增加而线性增加;迷宫齿蘑菇形磨损增加了密封的直接刚度,降低了密封交叉刚度的大小以及直接阻尼,但当磨损间隙超过0.5mm时,直接阻尼不再发生改变;随着迷宫齿蘑菇形磨损间隙增加,迷宫密封有效阻尼降低,从而使得转子稳定性降低,但仍然处于稳定范围内。     

基于多孔介质模型的刷式密封泄漏流动特性研究

采用数值求解基于多孔介质模型的Reynolds-averaged Navier-Stokes方程技术，对刷式密封内泄漏流动特性进行了详细的数值研究．根据刷式密封的泄漏量试验数据，确定了刷丝束多孔介质的渗透率系数．利用所确定的渗透率系数，数值计算和分析了7种压比和5种径向间隙条件下的某轴端刷式密封的泄漏量和泄漏流动形态，并且与迷宫式密封进行了比较．结果表明：在相同的压比下，刷式密封的泄漏量小于迷宫式密封；压比影响刷式密封的泄漏量，但对泄漏流动形态的影响可以忽略；径向间隙不仅影响刷式密封的泄漏量，而且影响泄漏流动形态；在相同的径向间隙下，压比越大则泄漏量越大；在相同的压比条件下，径向间隙越小则泄漏量越小．研究工作可对刷式密封在汽轮机中的应用提供理论依据和技术参考．     

超超临界汽轮机高压缸旁路冷却系统流动特性的研究

采用耦合流动计算和共轭传热的数值方法研究了1 000 MW超超临界汽轮机高压缸内部旁路冷却系统内的流场特性,给出了旁路冷却系统内三维流动细节和温度与压力场的分布规律,并与未考虑内、外缸传热作用的纯流动计算结果进行了比较.结果表明:旁路冷却系统中流动形态主要受系统结构和蒸汽自身流动特性的影响;温度场分布不仅受蒸汽流动形态的影响,还取决于高压缸固体域对流体域的传热作用.研究结论验证了,耦合流动传热数值方法能够更加真实地反映旁路冷却系统内温度场的分布.     

隔板位置对透平级凹槽叶顶传热和冷却性能的影响

采用数值方法研究了燃气透平第1级动叶带3种双凹槽的叶顶传热与冷却性能,双凹槽叶顶的隔板位于凹槽25%、50%和75%弦长位置且垂直于弦长方向(叶顶结构分别称为rib25,rib50和rib75),并与常规凹槽叶顶的透平级内效率、叶顶传热系数、叶顶气膜冷却有效度进行了对比。结果表明,在无气膜冷却时,不论是常规凹槽叶顶还是双凹槽叶顶,在凹槽底部前缘均存在高传热系数区域;相比于常规凹槽叶顶,双凹槽叶顶可以提高透平级的总等熵效率,其中rib50的气动性能最好,总等熵效率可以提高0.43%,但叶顶平均传热系数增大13.7%;叶顶中弧线位置布置气膜冷却孔后,由于叶片的旋转作用和凹槽隔板的限制,使冷气在凹槽内积累,对凹槽底部形成良好的气膜冷却效果;相对于传统凹槽叶顶,3种双凹槽叶顶的气膜冷却效率显著提高,其中rib50的气膜冷却有效度最大并且气动性能最好,带rib50叶顶的透平级内等熵效率可以提高0.36%,叶顶平均传热系数减小14.4%,叶顶平均气膜冷却有效度提高31.8%。     

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。     

尾缘开缝透平叶片内流动传热特性研究

采用带转捩的SSTk-ω湍流模型,计算获得了不同来流条件和冷气质量流量比条件下,尾缘开缝透平叶片内的总压损失和传热系数,分析了尾缘开缝结构对叶片表面流动传热性能的影响,并与实验数据进行对比,验证了数值方法的有效性和精度。计算结果表明:与常规叶片相比,尾缘开缝叶片在冷气质量流量比为1.3%、2.6%和5.2%时,叶片吸力面喉部区域压力系数分别增大了0.1、0.15和0.2左右,出口气流角分别增大了0.3°、0.4°和0.5°左右;尾缘开缝结构对叶片表面对流换热系数的影响区域主要位于吸力面喉部下游,与冷气质量流量比为1.3%的工况相比,尾缘开缝叶片在冷气质量流量比为2.6%和5.2%时,叶片尾缘吸力面侧对流换热系数分别增大了3%和5%左右;开缝壁面上压力及对流换热系数均随着冷气质量流量比的增大逐渐增大,但当冷气流量一定时,在不同主流雷诺数条件下,开缝壁面上的对流换热系数基本一致;冷气质量流量比为1.3%和2.6%时,尾缘开缝叶片总压损失比常规叶片高1%左右,当冷气质量流量比为5.2%时,主流总压损失低于常规叶片。     

隔板位置对凹槽叶顶传热和冷却性能的影响

采用数值求解RANS方程(Reynolds averaged Navier-Stokes equations)的方法,对3种带隔板的凹槽叶顶间隙内的流动、传热以及冷却特性进行了研究,隔板分别位于凹槽25%、50%和75%弦长处,3种结构分别称为rib25、rib50、rib75,并与无隔板时的常规凹槽叶顶间隙内的总压损失、传热和冷却特性进行了对比。结果表明:随着叶顶间隙的增大,叶顶表面传热系数逐渐增大;rib75结构的气动损失最小,在无气膜冷却条件下,rib75结构的叶顶比纯凹槽叶顶的总压损失低0.16%,对于叶顶带中弧线气膜冷却工况,rib75结构叶顶的总压损失比带常规凹槽叶顶的叶栅低0.15%;随着隔板向前缘方向移动,凹槽底部前缘吸力面侧的高传热区明显减小,在常规凹槽、rib25、rib50、rib75这4种叶顶结构中,rib25结构的叶顶平均传热系数与常规凹槽叶顶相近;加入叶顶中弧线气膜孔后,带隔板的叶顶可使冷气流更易聚集在凹槽底部区域,冷却效果显著提高,其中rib25结构具有最佳的冷却效果,比常规凹槽叶顶的平均冷却系数约高21.5%。