跨音速压气机间隙流与处理机匣相互作用分析

基于对压气机转子顶部间隙泄漏流的深刻认识，针对某跨音速轴流压气机转子，设计了一种新型的处理机匣结构，并对带处理机匣的压气机转子内部流动进行了全三维非定常数值模拟，数值计算所获得的总性能（实壁）与试验结果符合较好．该种新型处理机匣结构的引入能在不降低压气机设计点效率的前提下有效地提高压气机的失速裕度．对处理机匣与顶部间隙泄漏流之间的相互作用机制进行了详细分析．结果表明：处理机匣结构能抑制间隙泄漏涡破裂现象的发生，并将间隙泄漏涡破裂后导致的阻塞区抽吸进入处理槽，从而有效地提高了跨音速压气机的失速裕度．     

压气机模化中叶顶间隙对气动性能影响的数值研究

为了研究压气机相似模化过程中叶顶间隙对性能的影响规律,以某燃机压气机前1.5级为对象,采用数值模拟方法,研究了不同缩尺比例压气机的性能变化规律及机理。结果表明:缩尺模化时若保持叶顶间隙尺寸不变,则压气机模型机性能会下降,导致换算的原型机峰值多变效率下降约1.4%～3.38%,压比下降约0.88%～3.17%;叶顶间隙对流场相似性影响主要集中在叶片顶部流道区域,造成该区域流动不满足相似条件。分析流场发现,随着缩尺模化比例增加,叶顶间隙相对泄漏流量增加,叶顶流道内低速区范围扩大,泄漏涡在径向的影响范围和强度也增加,这是导致缩尺模化后流动堵塞程度加重、性能下降的主要原因,增加缩尺模化比例还会加剧叶顶泄漏流对激波的削弱。     

轴流通风机叶顶区域流动的实验研究

将粒子图像测速(PIV)技术应用到低速轴流通风机实验台上,在设计工况下对轴流通风机转子叶顶区域的瞬态速度场进行了实验测量,对3个不同叶顶间隙高度,分别测量得到了在3个不同周向平面上的速度．同粒子多普勒测速仪(PDA)时均测量结果进行比较,认为PIV可以得到与PDA相近的测量精度．根据PIV实验测量结果,重点研究了叶顶泄漏流动的涡旋结构,叶顶泄漏涡位置的不稳定性和锁相平均后的叶顶泄漏涡涡心的轨迹,并将实验结果与原有模型进行了比较．结果表明,叶顶泄漏涡涡心的运行轨迹与原有模型得出的估算公式的计算结果接近。     

轴流压气机可调静子叶片间隙泄漏流数值研究

为了探究轴流压气机前面级可调静子叶片部分间隙泄漏流对压气机性能和流场的影响,通过数值方法模拟某轴流压气机带有可调静子叶片的前面级1.5级流场,并详细分析了部分间隙泄漏流特征。数值仿真结果表明,相较带容腔原型算例,部分间隙使得压气机特性线往左下方偏移,设计点效率降低0.12%,近失速点效率降低1.83%,但喘振裕度提升6.4%;可见受到部分间隙泄漏流影响,静子叶片根部出口气流角明显增加;部分间隙泄漏流可以给吸力面根部角区低能流体充能,降低设计点端壁处的损失,降低近失速点吸力面分离涡的强度,提升喘振裕度;根部部分间隙造成叶片根部做功能力降低,但影响范围控制在5%叶高以内;部分间隙造成静子根部流场发生改变,使得设计工况点静子根部产生一条附着线,并形成闭式分离。     

轴流压气机叶栅动态失速现象研究

轴流压气机转子/静子交替排列,两套相对旋转的柱坐标系变换导致了叶栅进口攻角作周期性的脉动,即上游叶排尾迹诱导产生了下游叶排的动态失速现象.通过求解高精度非定常粘性可压Reynolds平均Navier-Stokes方程,清晰地捕捉到了动态失速涡的脱落过程与升力/阻力系数曲线的迟滞现象.研究还表明,合理组织攻角脉动频率与叶栅尾缘涡脱落特征频率的关系,能够提高叶栅的时均气动性能,为轴流压气机设计中的级间匹配问题提供了一个新的思路与途径.     

跨声速压气机转子与缝式机匣处理的动量输运

对使用半圆缝式机匣处理的跨声速压气机转子进行定常及非定常数值模拟,对转子叶尖间隙及机匣处理开口处的轴向动量进行计算,从动量输运的角度对转子叶尖及机匣处理之间的相互干涉进行分析.转子叶尖间隙处的时均动量分布表明,机匣处理减少了转子叶尖泄漏流逆主流方向的轴向动量,从而拓宽稳定工作裕度.机匣处理与转子叶尖的叠合率越高,泄漏流轴向动量最小值的轴向位置约靠近下游,且与处理缝后端的位置一致.通过对瞬时结果的分析,综合处理缝开口处轴向动量与叶尖流场,解释了在一个转子通过周期内处理缝开口瞬时轴向动量呈周期性变化的原因.     

发动机冷却风扇叶顶间隙泄漏量计算公式的构造

为了提高发动机冷却风扇叶顶间隙泄漏量的工程计算精度,基于泄漏量测量和流动显示试验以及间隙内部泄漏流动过程分析,构造了带有导流环的风扇叶顶间隙泄漏流动模型。深入研究了在静压力50~250Pa下3种带有导流环的风扇叶顶间隙流动结构的泄漏特性,通过流动显示试验,测量得到了泄漏流的涡旋结构和叶顶泄漏涡的轨迹。在经典泄漏量Martine和Egli泄漏经验计算公式的基础上,通过引入动能载越效应修正系数,应用修正后的计算公式对泄漏量进行计算并与试验结果值做了比较。研究结果表明:改进模型的计算结果与试验结果值接近,基本吻合;可为改进和提高发动机冷却风扇的气动性能提供理论依据。     

涡轮叶栅叶顶间隙泄漏流动实验研究

针对一种高负荷涡轮叶栅,利用低速矩形叶栅风洞实验研究叶顶间隙泄漏流动．研究了不同叶顶间隙和不同来流冲角情况下,涡轮叶栅的流场结构和气动性能．研究工况包括无间隙,0.5%、1.0%、1.5%叶高间隙和±10°、±5°、0°冲角．通过五孔探针获得矩形叶栅出口截面上总压、气流角以及速度分布;通过叶片表面开设的静压孔,获得叶片中部以及靠近叶顶截面的叶片表面静压分布．实验结果表明:叶顶间隙的存在增强了叶栅顶部的二次流动,恶化了上半叶展的流动状况,涡系结构发生了改变．随着叶顶间隙的增大,叶栅总压损失增加,气流偏转不足/过偏现象加剧;随着冲角的增大叶栅总压损失增加．     

叶轮叶顶间隙对离心制冷压缩机性能的影响

为研究叶顶间隙对离心压缩机性能和流动的影响机理,提高压缩机级效率,以某离心制冷压缩机级为研究对象,通过试验与Numeca软件数值模拟相结合的方法,研究了叶顶间隙分别为0、0.15、0.3、0.45、0.6、1.2 mm时压缩机级性能的变化规律。研究结果表明:随着叶顶间隙增大,压缩机稳定运行工况范围变窄,级效率与压比下降;压缩机级性能下降程度与间隙增加量基本呈线性变化关系;叶顶间隙对压缩机性能参数的影响与流量系数的取值有一定关系,同一叶顶间隙下,流量系数越小,性能参数下降速率越快。分析了额定工况下叶顶间隙分别为0、0.3、0.6 mm时间隙泄漏流对叶轮流道的影响规律,结果发现:在叶轮流道周向截面,间隙泄漏流会在叶轮盖侧形成低速区,并沿着叶高以及盖侧横向扩散;顺着叶轮子午流道方向,间隙泄漏流会向相邻叶片的压力面扩散;随着叶顶间隙的增加,间隙泄漏流引起的低速区对叶道流场影响加剧,低速区与主流混合后向下游扩散,造成叶轮流道主流能量损失增大,叶片载荷减小,叶轮做功能力有所下降。     

叶顶间隙变化对多级压气机性能影响的数值研究

运用三维黏性流动计算软件NUMECA,对某含动叶叶顶间隙和静叶叶根间隙的多级亚音轴流压气机的第七、八级共四排叶片所在流道进行了数值模拟.动叶叶顶间隙分别取为各自设计间隙的0倍、0.5倍、1倍、1.5倍和2倍5种不同间隙值,而静叶叶根间隙保持为设计值不变.计算结果表明,叶顶间隙的大小对压气机性能有较大的影响,随着间隙的增大,压气机的流量、效率、压比等性能呈明显的下降趋势.     

轴流压气机进口总压畸变的端区流动响应数值研究

为了探究进口周向总压畸变对压气机性能的影响,以及不同畸变角下压气机端区流场对畸变响应的区别,对跨声速轴流压气机一级动静叶进行全周非定常数值模拟,分别采用均匀来流,畸变角为30°、90°和120°的畸变来流这4种进口条件。进口畸变使压气机的性能明显恶化,并且随着畸变角的增大恶化加剧。畸变角为120°时,随着动叶扫过畸变区,动叶叶顶区域激波的结构和强度发生改变,叶顶间隙泄漏涡的轨迹和强度也发生周期性变化。畸变也会对下游静叶流动产生影响,使静叶叶顶和角区分离加重。当畸变角为90°时,所影响的动叶流道数减少但流场对畸变的响应规律没变。当畸变角减小到30°时,畸变经过动叶完全衰减,静叶流场几乎不受影响。研究结果揭示了压气机性能改变和叶顶、叶根端区流动结构动态特征与畸变来流间的关系,可为提高压气机抗畸变能力提供理论基础。     

缝式机匣处理对跨声速轴流压气机叶尖流场结构的非定常影响

为了揭示缝式机匣处理对压气机叶顶流场结构的影响机制,采用非定常数值模拟方法,对带有机匣处理的跨声速压气机进行了细致的研究。结果表明,机匣处理作用下叶顶流场的频率特征发生显著变化。实壁机匣条件下,间隙泄漏涡的破碎和分化脱落是叶顶流场非定常波动的主要诱因。在机匣处理作用下,间隙泄漏流获得有效激励,同时脱体激波后移,二者共同作用使泄漏涡破碎得到抑制,此时机匣处理的激励频率主导了叶顶流动的非定常特性。叶顶流场涡结构分析表明,间隙泄漏涡和角区涡的交互作用在不同流量工况呈现明显差异。在大流量工况,间隙泄漏涡和角区涡的相互作用较弱,流场中存在较为独立的双涡结构,而在小流量工况,间隙泄漏涡和角区涡相互作用变强,流场中出现强烈的交互涡结构变化。     

叶端加不同小翼对Krain离心叶轮气动性能影响的数值研究

为了控制离心压气机叶顶泄漏流,以压比为4.7的Krain低速叶轮为研究对象,将叶尖小翼技术应用到离心压气机中,采用数值模拟对其性能进行分析研究。对3组不同间隙加装不同宽度的小翼,分析了小翼在不同间隙下对于压气机性能及失速裕度的影响,以及不同宽度的小翼对于叶顶泄漏量、泄漏涡结构及轨迹的影响。结果表明:小翼结构可提升压气机的失速裕度,且小间隙下小翼结构对失速裕度的提升效果显著,其中1.0倍宽度小翼的失速裕度增加了8.73%;小翼结构可有效减少叶顶泄漏量,在叶片靠近前缘或尾缘位置加装小翼改善效果显著,泄漏量与小翼宽度成反比关系;小翼结构使得泄漏涡运行轨迹向压力面移动,形成泄漏涡的位置更加远离前缘,泄漏涡强度减弱。     

离心压气机无叶扩压器内部流动的实验测量和数值分析

对离心压气机无叶扩压器内部的流动进行地测量,实验在6种不同转速下进行,获得了径向速度、周向速度和静压恢复系数的分布规律,用SIMPLEC算法结合k-ε湍流模型对该无叶扩压器内部流动进行了数值模拟,计算结果与实验值基本吻合,结果表明：气流速度沿扩奢器宽度方向的分布是盘侧高一增侧,速度分布逐渐达到均匀,当提高转速时,气流速度沿扩压器宽度方向的变化较小,压力恢复系数在无叶扩压器前段增长较快,在后段增长缓和。     

涡轮叶栅叶顶间隙泄漏流动实验研究

针对一种高负荷涡轮叶栅,利用低速矩形叶栅风洞实验研究叶顶间隙泄漏流动。研究了不同叶顶间隙和不同来流冲角情况下,涡轮叶栅的流场结构和气动性能。研究工况包括无间隙, 0.5%、1.0%、1.5%叶高间隙和±10°、±5°、0°冲角。通过五孔探针获得矩形叶栅出口截面上总压、气流角以及速度分布;通过叶片表面开设的静压孔,获得叶片中部以及靠近叶顶截面的叶片表面静压分布。实验结果表明:叶顶间隙的存在增强了叶栅顶部的二次流动,恶化了上半叶展的流动状况,涡系结构发生了改变。随着叶顶间隙的增大,叶栅总压损失增加,气流偏转不足/过偏现象加剧;随着冲角的增大叶栅总压损失增加。     

基于流固耦合的涡轮叶顶间隙分析研究

利用CFX对不同叶顶间隙下3级涡轮的运行工况展开数值模拟,对涡轮的气动性能进行了分析。以已计算得出的流场作为气动载荷,利用workbench平台对涡轮叶片的结构特性进行单向流固耦合分析。综合考虑了叶顶间隙以及叶片、轮盘和机匣变形量之间的相互作用。研究结果表明,叶顶间隙对流场的气动特性产生了影响,而因流场气动力而产生变形的叶片和轮毂又使叶顶间隙发生了改变;在涡轮运行过程中叶片径向变形量要大于轴向变形量,并且温度是影响叶片及轮盘变形的最主要原因。     

环形压气机叶栅内部严重分离流动的实验研究

流动分离是关系到叶轮机械运行安全性和经济性的重要流动现象。为了进一步揭示这一复杂流动现象的特性和物理模型,该文应用激光Ｄｏｐｐｌｅｒ测速仪和七孔气动探针对一环形压气机叶栅在大攻角下的流道内部和流道出口的流场进行了实验研究。得到了流动严重分离情况下的流场速度、湍流度、湍流应力、总压损失及静压等重要流场参数的分布和分离区的形态。实验结果揭示： 在分离流动中粘性分离和惯性分离并存; 分离后的流场呈现出主流、剪切流和分离涡流三区共存的特征,其中速度剪切层对叶栅特性产生显著影响; 在分离边界附近,流动参数变化剧烈,可作为判定分离边界的依据。     

跨声速涡轮叶顶间隙流动传热特性的数值研究

针对叶顶间隙的高速泄漏流及复杂的流动问题,采用求解三维Reynolds-Averaged NavierStokes(RANS)和S-A湍流模型的方法研究了跨声速流动条件下涡轮叶片顶部的流动传热特性,同时计算分析了叶顶间隙高度和进口湍流强度对顶部流动换热特性的影响。研究结果表明:叶顶间隙为0.188%动叶高度(小间隙)时,间隙泄漏流为亚声速(0.3Ma0.8)并具有最大的叶顶换热系数;当叶顶间隙高度增大至0.75%动叶高度时,间隙泄漏流出现超声速流动(1.0Ma1.3),叶顶平均换热系数最小;随着间隙高度增大,超声速流动区域从尾缘向前缘扩展,顶部换热系数先减小后增大。叶顶间隙高度的增大使得马蹄涡向吸力面侧移动,从而改变叶顶前缘附近换热系数分布;泄漏流在间隙区域急剧加速使得湍流水平显著降低,而进口湍流强度变化对于叶顶换热影响很小,但进口湍流强度增大时叶顶前缘吸力面侧二次流减弱。     

叶顶形状对动叶顶部流动和传热的影响研究

应用数值方法和标准k-ω湍流模型,研究了燃气轮机轴流透平不同叶顶密封方式对透平动叶顶部间隙内流动与传热的影响.计算叶型采用GE-E3发动机高压透平第一级动叶片,考虑了4种不同的叶顶密封方式.详细分析了不同叶顶密封时叶项的流动结构和传热分布.研究了旋转对动叶顶部流动和传热的影响,并与静止的平面叶栅中获得的结果进行了对比.结果表明:不同叶顶密封方式对叶顶间隙泄漏流场影响很大;双侧肩壁密封具有最好的密封性能,而压力面肩壁密封性能最差;采用吸力面肩壁密封获得了最低的叶顶传热系数,压力面侧肩壁密封的叶顶传热系数则最高;相对于静止叶栅,旋转改变了叶顶泄漏流动结构,增加了叶顶的传热系数.     

迷宫蜂窝密封泄漏特性的实验测量和数值研究

为研究蜂窝孔径、径向间隙和运行工况对迷宫蜂窝密封泄漏特性的影响,采用静止密封泄漏特性实验测量平台,测量了7种压比和5种径向间隙下迷宫蜂窝密封的泄漏量。基于数值求解三维Reynolds-averaged Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型的方法,研究了迷宫蜂窝密封的泄漏特性。分析了压比(1.05～1.6)、密封间隙(0.4～1.2 mm)、转速(0～8 000 r/min)和蜂窝孔径(0.8、1.6、3.2 mm)对迷宫蜂窝密封泄漏特性的影响,并与光滑面迷宫密封进行了对比。研究表明：迷宫蜂窝密封的泄漏量随着压比的增加而近似线性增大;密封流量系数随径向间隙增大而有所降低,降低最大值为10%。在转速低于3 000 r/min时,转速对迷宫蜂窝密封的泄漏量影响很小;当转速高于3 000 r/min时,蜂窝结构能够抑制流体的周向运动使迷宫蜂窝密封在高转速时具有更优的密封性能,流量系数明显下降,转速升高到8 000 r/min时密封流量系数最多降低到0转速时的51%。迷宫蜂窝密封流量系数随蜂窝孔径增大先减小后升高,在孔径为0.6 mm与齿宽相等时流量系数最低,此时流量系数比光滑面迷...