燃料热值变化对9FA燃气轮机涡轮流场的影响

对GE公司9FA机型地面燃气轮机进行了准三维计算,分析了燃料热值不同对于涡轮流场产生的影响,对比了各种损失在总损失中的比例,能量损失系数沿叶高的分布,并对二次流损失进行了分析.通过分析得出,燃料热值变化导致了流量变化,继而导致了涡轮部分的气动性能发生变化,能量损失也发生了变化.对于能量损失沿叶高分布影响最大的是二次流损失,其他损失沿叶高分布相对比较平均.     

后加载和高负荷前加载叶型气动性能的试验研究

采用平面叶栅和环形叶栅吹风试验对后加载和高负荷前加载叶型的气动性能进行了详细的测量和研究.在平面叶栅吹风试验中,测量了2种叶型的压力系数分布,研究了攻角、相对栅距、安装角和马赫数的变化对叶型能量损失系数的影响规律.在环形叶栅吹风试验中,测量了2种叶型的近叶顶、中叶高和近叶根处的压力系数分布以及能量损失系数沿叶高的变化规律.对后加载和高负荷前加载叶型的三维成型规律进行了讨论.试验结果表明:高负荷前加载叶型相对于后加载叶型具有更大的负荷特性;高负荷前加载叶型在采用较大的切向弯曲后可以抑制二次流的发展和减少二次流损失;前加载叶型和后加载叶型均具有优良的气动性能.研究结果对于拓宽高性能叶型在汽轮机中的应用提供了理论基础和技术支持.     

考虑气动和湿汽损失综合影响的低压多级透平优化

针对叶轮机械多级透平优化的问题,在考虑湿蒸汽透平中气动损失和湿汽损失的综合影响的基础上,采用响应面方法对某300 MW汽轮机低压缸末三级透平进行了优化。优化变量为末三级静叶的安装角和型线沿叶高的积叠规律,安装角优化通过改变多级透平级之间的压力平衡,来改变湿蒸汽透平级内过冷度的分布,降低非平衡热力学损失和水滴的直径,使得末三级的湿汽损失减小了20.71%,由此获得了通过调整低压透平静叶安装角从而减小湿汽损失的方法。静叶积叠规律的优化中通过改善反动度沿叶高的分布、减小叶根边界层分离和降低二次流损失提高了气动效率,同时引起级内过冷度和出口流速沿叶高变化,使一次水滴和二次水滴的直径减小,导致气动损失降低了0.52%,湿汽损失进一步降低了9.48%。该结果可为多级透平优化提供参考。     

ЦИАМ损失模型的修正及其对气冷涡轮S2流面优化的影响

对10组ЦИАМ的叶型数据进行分析,比较了原始ЦИАМ损失模型所预测的和实验所得的损失数据,在此基础上,从临界速度系数、尾迹损失、马赫数、二次流损失沿叶高分布等方面对ЦИАМ模型进行了修正。通过对某四级涡轮S2正问题计算结果分析可知,修正后的损失模型预测叶型损失误差相对于实验结果从37.56%下降到了22.59%,而总损失的误差从38.31%下降到了30.95%,且其S2优化所得叶片沿叶高扭曲规律与基于原始模型的优化结果有较大差别,总体上说,大部分叶栅出口气流角的根部大顶部小趋势比原型更加强烈,但个别叶栅则呈现根部和顶部大而中间小的特点。     

ЦИАМ损失模型的修正及其对气冷涡轮S2流面优化的影响

对10组ЦИАМ的叶型数据进行分析,比较了原始ЦИАМ损失模型所预测的和实验所得的损失数据,在此基础上,从临界速度系数、尾迹损失、马赫数、二次流损失沿叶高分布等方面对ЦИАМ模型进行了修正。通过对某四级涡轮S2正问题计算结果分析可知,修正后的损失模型预测叶型损失误差相对于实验结果从37.56%下降到了22.59%,而总损失的误差从38.31%下降到了30.95%,且其S2优化所得叶片沿叶高扭曲规律与基于原始模型的优化结果有较大差别,总体上说,大部分叶栅出口气流角的根部大顶部小趋势比原型更加强烈,但个别叶栅则呈现根部和顶部大而中间小的特点。     

ЦИAM损失模型的修正及其对气冷涡轮S2流面优化的影响

对10组ЦИАМ的叶型数据进行分析,比较了原始ЦИАМ损失模型所预测的和实验所得的损失数据.在此基础上,从临界速度系数、尾迹损失、马赫数、二次流损失沿叶高分布等方面对ЦИAM模型进行了修正.通过对某四级涡轮S2正问题计算结果分析可知,修正后的损失模型预测叶型损失误差相对于实验结果从37.56%下降到了22.59%,而总损失的误差从38.31%下降到了30.95%,且其S2优化所得叶片沿叶高扭曲规律与基于原始模型的优化结果有较大差别,总体上说,大部分叶栅出口气流角的根部大顶部小趋势比原型更加强烈,但个别叶栅则呈现根部和顶部大而中间小的特点.     

不同马赫数下非轴对称端壁扇形叶栅流场

以某一高压涡轮导叶扇形叶栅为研究对象,通过数值和实验方法研究非轴对称端壁造型对涡轮叶栅内二次流的控制机制,分析出口马赫数增加对二次流损失特性的影响规律.结果表明:不同出口马赫数下,非轴对称端壁造型可有效降低总压损失,抑制周向二次流,削弱通道涡强度.出口总压损失系数和涡量随出口马赫数的变化而变化;出口马赫数为0.85时,改善效果最好,出口总压损失系数减小10.81%.     

小展弦比涡轮叶片的弯曲优化设计

该文重点讨论弯扭叶片设计方法在小展弦比的涡轴发动机涡轮叶片设计中的应用,旨在通过多方案的弯曲设计分析具有强二次流动的涡轮叶片的弯曲优化所能带来的气动性能改善和流场结构变化。给出了弯高固定而弯角不同的14个叶片弯曲设计方案。通过数值模拟计算分析了这些方案中总压比和流量,初步得出在该叶片设计中反弯设计要优于正弯和直叶片设计,且反弯15°方案为最优方案。根据密流沿叶高分布图分析了正弯、直和反弯叶片情况的下端区和中间区域的通流能力变化。结合叶片壁面极限流线图和静压分布,可发现反弯情况下造成的反向C型压力分布使得端区流动不但没有改善反而恶化,但是中间区域的低能流体却大大减少,从而总体损失得到减少。从出口截面的总压分布也可看出通道涡尺度变大,造成端区总压损失较大。     

周期性尾迹对涡轮端区二次流强度影响

为进一步认识上游周期性尾迹对涡轮端区流动的影响,分析尾迹与端区二次流结构之间的相互作用,基于高负荷低压涡轮叶型Packb对非定常工况下尾迹与端区流动进行了数值模拟研究,并借助扇形叶栅实验台进行辅助校核。数值研究采用商业CFD软件进行仿真,借助LES模型耦合Smagorinsky亚格子模型,对尾迹造成的端区流动影响进行了分析。研究表明,尾迹的存在使得叶栅出口处的端区二次流强度出现周期性的变化,其增强与削弱作用的交替出现是尾迹在通道中所处位置不同所造成的,利尾迹周期性地对二次流强度的削弱作用可有效减小端区流动损失。     

平板和静叶表面气流-水膜耦合流动特性的数值研究

针对平板表面的空气水膜和透平静叶栅中的水蒸气水膜耦合流动特性提出了分析气流与壁面水膜耦合作用的数值方法,即气相主流和液相水膜视为相对独立的开口系,通过在两相各自的控制方程中添加考虑相间动量和能量交换的源项,实现水膜和气流的双向耦合计算。研究表明:平板表面水膜厚度和进口水膜雷诺数近似呈1/2指数幂关系,与来流马赫数呈反比关系,与出口背压呈弱负指数次幂关系;水膜流速与出口背压近似呈线性关系;水膜附加损失对水膜流量的变化较为敏感,对来流马赫数并不敏感;透平静叶压力面侧水膜厚度分布较为均匀,在叶顶角区的叶片表面出现水膜聚积,吸力面侧水膜厚度变化较为剧烈,在叶顶和叶根角区的叶片表面出现水膜聚积。从而得出影响透平叶栅通道中水膜分布的机理是,壁面曲率通过影响相间剪切力来影响壁面水膜厚度和速度的分布,端壁上从压力面到吸力面的二次流引起水膜向吸力面侧聚积,通道涡和角涡引起的径向压力梯度导致叶片表面水膜沿叶高重新分布,水膜聚积对叶片表面的压力分布和出口气流角产生显著影响。     

机匣附面层对涡轮转子叶顶流动及换热的影响

以GE-E3型燃气涡轮发动机第1级高压涡轮转子为对象,通过改变进口段长度、机匣的壁面条件以及叶顶间隙的高度,调节二次流与泄漏流之间的强弱关系,分析了机匣附面层对叶顶区域气流流动和叶顶壁面换热特性的影响,并研究了叶顶边缘的倒圆处理对叶顶气流流动和壁面换热的影响.结果表明:泄漏流与二次流的相互作用,导致叶顶头部吸力面侧产生了高换热系数区域;减少二次流或增加泄漏流,均可使得叶顶头部吸力面侧的高换热系数区域减小,压力面侧的高换热系数区域增大.     

基于参数化建模的风力机叶片性能分析

针对现有850kW风力机叶片,分析其材料、结构及铺层状态,对比传统叶片有限元模型,将描述叶片主要结构的弦长、扭角采用分段函数形式表达,采用MATLAB编程并结合ANSYS二次开发建立风力机叶片参数化几何模型.基于动量-叶素理论的BLADED软件计算叶片各截面处的极限载荷,并于叶片分段施加载荷增量.动力学分析得到叶片前三阶挥舞和摆振频率及一阶扭转频率,其与实测固有频率比较,分析并验证叶片于共振区外运行.静力分析得到叶片挥舞位移及关键部位应力分布,通过最大应力准则和蔡-胡(Tsai-Wu)准则对翼面进行强度校核(其他部位同理校核),表明叶片在极限状态下仍能保持安全运行.该研究描绘了叶片主要力学性能,为叶片进一步优化奠定了基础.     

涡轮叶片表面温度分布测量方法

针对涡轮叶片表面温度不易测量的问题,利用辐射测温和扫描技术,提出了一种通过45°旋转反射面扫描系统测量涡轮叶片表面温度分布的方法．通过与叶片参考结构的对比,分析了涡轮叶片表面温度分布与叶片内部结构的关系．实验结果表明,面扫描系统可以简单、有效地提取涡轮叶片表面温度分布特征．     

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％。     

用于控制透平叶栅内部流动的端部孔隙结构

为利用端部孔隙结构控制叶栅二次流损失,对一种端部孔隙结构在不同攻角下对透平静叶栅内部流场的影响进行数值模拟。结果表明:大负攻角下,该孔隙结构有效地控制了透平叶栅头部压力面的分离泡,减少了损失;在其他攻角下,该结构对该文考察的叶栅没有表现出明显的改善作用。结合该孔隙结构和另一种由原始叶型优化后的叶片进行联合造型,对其在不同攻角下的性能进行了考察。经联合造型后的叶栅与原始叶栅相比在各个攻角下的流动损失均有大幅度降低,大负攻角下效果尤为明显。     

用于控制透平叶栅内部流动的端部孔隙结构

基于端部孔隙结构控制叶栅二次流损失的思想,对一种孔隙结构在不同攻角下对透平静叶栅内部流场的影响进行了数值模拟。结果表明:大负攻角下该孔隙结构有效地控制了透平叶栅头部压力面的分离泡,减少了损失;在其他攻角下该结构对该文考察的叶栅没有表现出明显的改善作用。结合该孔隙结构和另一种由原始叶型优化后的叶片进行联合造型,对其在不同攻角下的性能进行了考察。经联合造型后的叶栅与原始叶栅相比在各个攻角下的流动损失均有大幅度降低,大负攻角下效果尤为明显。     

跨音速透平扭叶片的气动优化设计研究

以并行自适应差分进化算法为核心，耦合曲面造型方法以及计算流体动力学求解技术，发展了一种适用于叶轮机械三维气动优化设计的全局自动气动优化算法．利用该算法，以等熵效率最高为目标，在满足流量约束的条件下对跨音速扭叶片进行了气动优化设计．对优化结果的详细分析表明，最优叶栅的等熵效率比原始叶栅提高了1．1％，气动性能有显著的改善，算法具有良好的优化性能．在跨音速条件下，载荷分布对叶栅的气动性能有着巨大的影响，采用前加载设计可有效地减弱斜激波的强度，减少激波损失，提高流动效率．因此，通过优化叶栅型线来改变叶栅的载荷分布可有效地提高叶栅的气动性能。     

端壁边界层抽吸对透平静叶栅二次流影响的数值研究

湿蒸气透平静叶栅的端壁抽吸槽常用来抽除沉积水膜以防止动叶片水蚀,但它也有可能同时用来抽除端壁上边界层以抑制二次流的发展．作者采用有限体积差分法求解了三维稳态时均ＮＳ方程组,分析了在叶栅前缘附近进行端壁边界层抽吸对透平静叶栅二次流流场、气流偏转角及总压损失系数等气动特性参数的影响．计算结果表明,在前缘附近抽吸端壁边界层可以抑制马蹄涡的发展,减弱通道涡的强度,从而减小二次流损失并提高出口气流的均匀性．