间隙泄漏对透平级气动性能影响的数值研究

为提高透平级气动性能设计水平,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和Spalar-Allmaras(S-A)方程湍流模型的方法,针对三级实验透平级开展了包括动叶叶顶间隙、静叶叶根与转轴间隙(隔板间隙)和动叶叶根与轮盘间隙(叶根间隙)的泄漏流动对透平性能影响的数值研究。研究结果表明:与不考虑所有间隙的纯通流三级透平相比,动叶叶顶和隔板间隙泄漏流使透平总静效率降低了0.62%,但同时动叶叶根与轮盘间隙泄漏流动使透平总静效率提高了0.28%,适当的叶根间隙泄漏有利于透平效率的提升;动叶枞树型叶根与轮盘的间隙泄漏影响叶根端区附近主流与泄漏流交互作用的方向;主流与泄漏流之间的"吸"与"漏"影响叶片端区附近二次流的分布与发展,进而引起叶片端区能量损失系数的变化。     

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。     

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。     

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.     

动叶叶顶迷宫刷式密封的透平级气动性能研究

针对透平级叶顶泄漏损失大的问题,提出了将叶顶迷宫密封设计成迷宫刷式密封结构的设计方案,旨在减少叶顶泄漏量和提高气动效率。采用基于非线性多孔介质模型的RANS方程数值方法,研究了实验测量的迷宫刷式密封的泄漏量,数值预测泄漏量与实验测量数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。基于1.5级透平级动叶叶顶迷宫密封结构,将第1个、最后1个迷宫长齿设计成刷丝束的前置、后置迷宫刷式密封结构,对比分析了迷宫刷式密封刷丝束间隙为0～0.4 mm时,1.5级透平级的叶顶间隙泄漏量和气动效率。研究结果表明:前置、后置叶顶迷宫刷式密封在减少泄漏量和提高透平级气动效率方面相似;与叶顶迷宫密封相比,叶顶迷宫刷式密封在刷丝束间隙为0.4 mm时泄漏量减少了18%,透平级效率提高了0.6%;叶顶密封间隙损失主要包括腔室耗散和出口腔室黏性损失;相比于叶顶迷宫密封,叶顶迷宫刷式密封减小了气流相对偏转角,导致密封出口泄漏流与动叶出口主流掺混损失减少;叶顶迷宫刷式密封通过减少出口腔室黏性损失从而提高透平级气动效率。     

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。     

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。     

长叶片透平级多学科多目标优化设计

针对长叶片透平级优化问题,结合自适应多目标差分进化算法、基于3次非均匀B样条曲线的曲面造型技术及透平级气动和强度性能分析评价方法,建立了长叶片透平级多学科多目标优化设计系统,其中气动性能评估采用数值求解三维RANS方程完成,长叶片强度分析采用有限元方法完成。长叶片透平级的优化设计目标是比功率最大和最大等效应力最小,设计变量是透平级静叶和动叶型线的三维参数化控制参数。采用所建优化设计系统获得了长叶片透平级的7个多学科优化非受控解(Pareto解)。3个典型的Pareto解与参考叶型进行比较分析显示,优化后Pareto解下的气动和强度性能均优于参考叶型设计方案,从而验证了所建优化设计系统的实用性。     

透平级轴向间隙对非定常流动干涉影响的研究

针对透平级在两个轴向间隙下的非定常流场,应用全三维黏性非定常数值模拟方法分析比较了不同轴向间隙下的流场干涉现象,并引入了损失非定常波动机理.结果表明:透平级轴向间隙增大近1倍后,势干涉的变化在静叶和动叶前缘处体现得更为明显,壁面静压波动幅值分别降低了80%和60%左右,叶栅闻的位势干涉强度较负射流强度下降的快;当负射流迁移至动叶吸力面尾部时,对气流分离会起到抑制作用,为沉寂效应的产生引入了一种新的诱发机制;针对静叶吸力面边界层内气流,通过耗散函数建立了静压与熵值之间的耦合关系,发展了分析非定常流场中损失波动的方法.     

末级透平对低压缸气动和凝结特性的影响

采用湿蒸汽非平衡凝结流动模型对某300 MW汽轮机末级透平改型的气动性能及低压缸总体气动和湿蒸汽凝结特性进行了对比研究,末级透平的单独计算结果表明:改型后末级透平的通流能力、功率和效率均有明显提高,余速损失明显降低.改型后的未级透平置于低压缸多级透平环境中的计算结果表明:低压缸的功率和效率分别提高了0.53％和0.47％,末级余速损失降低是低压缸性能提高的主要因素;末级透平改型不仅会影响末级的气动性能,而且会影响次末级的总焓降;改型后末级动叶沿叶高的过冷度降低了3～5 K,成核范围和成核率均明显减小,其余各级凝结特性的改变可以忽略;在低压透平改型中,末级可以独立对待,单独优化.     

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．     

湿蒸气汽轮机除湿级去湿性能的数值计算

采用了解压力耦合方程的半隐式方法数值求解湿蒸气汽轮机除湿级轴对称环形通道内可压缩粘性汽流控制方程组，得出考虑去湿槽口抽吸效应的旋流流场；在所得蒸汽流场基础上数值求解水滴运动微分方程，确定水滴运动规律及沉积特性。文中根据某一湿蒸气汽轮机除湿级的计算结果分析了静叶气流出口角、水滴直径、环形通道长度及汽流初始径向分速等参数对级的去湿性能的影响，并提出了关于除湿级结构设计的若干建议。     

基于离心泵的多级液力透平的性能预测与数值模拟

建立多级离心泵的全流道三维实体模型,划分网格后导入Fluent定义边界条件.采用定水头变转速模拟方案,选取600m水头时不同转速工况点进行计算.绘制综合特性曲线并确定最高效率点对应的单位转速、单位流量.研究不同转速时透平的性能,得出透平的水头、功率曲线及最高点效率值随流量略微变化.固定转速改变流量做全流道数值计算,分析最优工况多级透平过流部件内部流场分布,发现进水室底部有两股液流混合撞击,反导叶有流动旋涡,出水室有螺旋尾迹涡带,叶轮头部还存在冲击损失等.针对以上现象,提出多级离心泵反转做透平使用时结构改进的措施.     

FDTD法局部网格细化技术及其边界源等效模型

讨论了时域有限差分（ＦＤＴＤ）法中局部网格细化技术的实现，给出了边界源的等效模型．利用一个简单的计算实例———ＴＭ平面波入射下方形介质柱的散射分析，证明了该等效源模型的正确性，同时也说明了方法的有效性．     

风冷压缩机气缸热交换的实验研究

采用测温系统测量微型风冷空压机缸壁温度场的分布,在不同散热片高度条件下对缸壁温度及排气量、功率进行了测量。分析不同散热片高度对缸壁温度场、压缩机性能的影响。对实验数据采用线性回归方法,总结了缸壁平均温度随压比、进气温度和活塞行程变化的经验公式。     

带有抽吸喷注的幂律流体边界层方程的近似解

对求解带有抽吸/喷注的幂率流体平板边界层的相似解方程进行了研究,利用Adomian分解方法得到了在不同的幂率下方程的近似解析解和相应的壁摩擦因数值,并通过对近似解所推出结果以及所得壁摩擦因数进行的验证,证实了本文提出的解析近似方法的准确性和可靠性.     

涡轮边界条件对柴油机涡轮增压系统模拟计算影响的研究

本文给出了在不同涡轮边界条件下,柴油机涡轮增压系统模拟计算的结果,并与实测结果进行了比较;在此基础上,讨论了不同涡轮边界条件对模拟计算的影响.文中提出了径流式涡轮边界条件的简化处理及改进方法,提高了模拟计算的精度.     

全气膜冷却叶片表面换热系数和冷却效率研究

为了研究全气膜冷却涡轮导叶叶片的换热特性,采用瞬态液晶技术获得了叶片全表面的高分辨率换热系数和冷却效率.实验在三叶片两通道放大模型中完成,叶栅进口雷诺数是1.0×105. 叶片前缘有8排复合角孔,压力面有21排轴向角孔,吸力面有24排轴向角孔.气膜孔排由2个供气腔供气,前腔二次流与主流的质量流量比为4.56％,后腔为4.67％.结果表明:受叶栅通道涡作用,气膜出流在吸力面呈聚敛状,在压力面则呈发散状.气膜出流受气膜孔角度影响,气膜孔下游的换热系数和冷却效率都较高.叶片前缘受到冲击,换热强,冷却效率低;叶片吸力面冷却效率维持在0.4左右,压力面维持在0.35左右.该全气膜冷却叶片气膜覆盖效果较好,冷却效率和换热系数分布均匀,是一种较好的冷却结构.     

近失速工况跨声速压气机静叶端壁附面层流向槽抽吸数值研究

通过CFD数值模拟方法,对近失速工况下跨声速压气机静叶端壁附面层抽吸进行研究,分别讨论了压气机静叶端壁前缘开槽吸气、靠近端壁尾缘开槽吸气和组合抽吸这三种方案对静叶气动性能的影响。结果表明:静叶端壁前缘抽吸有效减薄了附面层抑制了端壁角区分离,明显降低了损失,有效拓展了喘振裕度。而靠近端壁尾缘抽吸方案中,只是抽走了分离区内的低能流体,效果不明显。组合抽吸方案的抽吸效果则介于前两者之间。