叶顶间隙对涡轮非定常气动性能的影响

为了分析动静干涉条件下叶顶泄漏流动对涡轮气动性能的影响,对某高负荷低压涡轮级进行了不同动叶叶顶间隙下的定常和非定常数流动的值模拟研究。结果表明:叶顶泄漏流动对上游静叶和动叶中、下部区域影响极小,影响范围主要体现在叶顶区域;随着叶顶间隙增加,动叶能量损失增加,且非定常条件下的损失增加比定常条件下大;叶顶泄漏流动对叶顶通道涡的发展和生成具有抑制效果;动静干涉效应对于泄漏涡的生成、发展、运行轨迹以及范围都有影响,且随着叶顶间隙的增加这种影响效果逐渐变得明显。     

叶尖小翼对轴流风机气动性能及噪声特性影响的数值研究

为了控制轴流风机叶顶泄漏流造成的气动损失和噪声,在轴流风机叶片顶部添加了融合式叶尖小翼结构,并对风机的气动性能及噪声特性进行了数值研究。采用大涡模拟结合声类比方程的数值方法,研究了叶尖小翼对轴流风机流场和声场的影响。通过对风机叶尖流场和声场进行分析,对比不同外倾角的融合式叶尖小翼周围的涡场结构以及表面声压脉动,分析了不同外倾角小翼对叶尖泄漏流的控制作用以及叶尖小翼对风机气动性能和噪声特性产生的影响。结果显示:叶尖小翼结构可以有效抑制叶尖泄漏涡以及叶尖分离涡的发展,降低轴流风机的气动噪声,提高轴流风机静压效率;使用20°外倾角的叶尖小翼,风机静压效率提高了1.1%,噪声降低了5.0dB;叶尖泄漏流造成的气动噪声主要是宽频噪声,叶尖小翼可以明显降低轴流风机的宽频噪声;通过优化叶尖小翼的外倾角可以在不损害风机气动性能的同时实现较好的降噪效果。     

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。     

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。     

轴流风机仿生耦合叶片降噪机理研究

为降低传统叶型轴流风机的气动噪声,受鸮类翅膀翼型和非光滑边缘结构的启发,以原型轴流风机的中弧线分布为基准,提取具有静音飞行特性的长耳鸮40%翼展截面处的厚度分布,结合长耳鸮翅膀边缘的非光滑结构特征,在仿鸮翼叶片尾缘耦合了正弦型锯齿结构对轴流风机叶片进行仿生重构,并将其应用于降低轴流风机噪声叶片改型设计中。基于轴流风机内部流场的数值计算结果,采用大涡模拟(LES)结合Ffowcs Williams和Hawkings发展的FW-H声类比方法对轴流风机的声场特性进行了数值模拟。研究结果表明:与原型风机相比,仿生耦合叶片风机的整体降噪幅度为2dB,风量提升4.69%。风机内部流场及声场显示:仿生耦合叶片使气流从吸力面向压力面的过渡更为平缓,不仅改善了气流对叶片前缘局部的冲击性,且能减弱叶顶间隙处的泄漏涡强度。此外,仿生耦合叶片产生的紊流边界层及尾迹涡脱落引起的气流脉动和气流不均匀性程度减弱,宽频噪声和离散噪声在中低频范围内均有所降低,因此仿生耦合叶片不仅改善了叶片前缘的局部压力脉动,且能够减小尾缘锯齿处的声源强度,改善叶片尾缘的尾迹涡分布。     

微型轴流风扇间隙流动分析

以某微型轴流风扇为研究对象,测量了其在5 600r/min转速下的气动特性曲线,同时采用商用软件NUMECA模拟了在4种流量下该风扇叶轮内的三维流场,详细研究了泄漏涡和分离涡的结构、泄漏流速度的分布、叶片两侧的压差分布以及泄漏流对叶顶载荷的影响。研究结果显示:由于叶顶间隙的存在,气流在叶顶形成了分离涡;而泄漏流进入相邻通道后卷起形成泄漏涡。叶顶分离涡和泄漏涡的起始位置都随着流量的增加而向下游移动。从叶顶到外端壁方向,泄漏流速度的大小及其与叶片型线的夹角(θ)均呈现先增大后减小的趋势。间隙区域叶片两侧的压差(Δp)随着流量的增加而变小,泄漏流速度、泄漏流量也随之变小。叶顶卸载是顶端间隙流动的主要特征,随着流量系数的增加,叶顶卸载变大。     

叶顶泄漏对跨音速涡轮气动性能和叶片激振特性的影响

针对SNECMA公司的跨音速实验涡轮装置,建立了单流道无冠叶栅三维CFD计算模型,通过求解定常RANS方程,研究了4种叶顶区域结构(平板叶顶-标准机匣、凹槽叶顶-标准机匣、平板叶顶-台阶机匣和凹槽叶顶-台阶机匣)下,叶顶泄漏流及其与主流的掺混效应对涡轮气动性能和叶顶间隙激振力的影响。结果表明：叶顶间隙较大时,凹槽叶顶-标准机匣结构的等熵效率最大,采用台阶机匣结构会使等熵效率下降;叶片切向力随叶顶间隙的增加先增大后减小,其中平板叶顶-标准机匣结构的叶片切向力最大且变化相对平稳;叶顶泄漏流对99%叶高、约67%轴向弦长处吸力面的静压分布有显著影响,叶顶间隙增加会使该区域静压下降,导致叶片切向力增大;平板叶顶-标准机匣结构的穿越间隙较大,力敏感度系数较小,促进转子稳定运动的叶顶间隙区间较大,有利于转子的稳定运行。文中还分析了叶顶间隙激振力的产生机理及其特性,可为优化叶顶结构设计和减小叶顶间隙激振提供理论依据。     

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。     

叶顶泄漏对跨声速涡轮气动性能和叶片激振特性的影响

针对SNECMA公司的跨声速实验涡轮装置,建立了单流道无冠叶栅三维CFD计算模型,通过求解定常RANS方程,研究了4种叶顶区域结构(平板叶顶-标准机匣、凹槽叶顶-标准机匣、平板叶顶-台阶机匣和凹槽叶顶-台阶机匣)下,叶顶泄漏流及其与主流的掺混效应对涡轮气动性能和叶顶间隙激振力的影响。结果表明:叶顶间隙较大时,凹槽叶顶-标准机匣结构的等熵效率最大,采用台阶机匣结构会使等熵效率下降;叶片切向力随叶顶间隙的增加先增大后减小,其中平板叶顶-标准机匣结构的叶片切向力最大且变化相对平稳;叶顶泄漏流对99%叶高、约67%轴向弦长处吸力面的静压分布有显著影响,叶顶间隙增加会使该区域静压下降,导致叶片切向力增大;平板叶顶-标准机匣结构的穿越间隙较大,力敏感度系数较小,促进转子稳定运动的叶顶间隙区间较大,有利于转子的稳定运行。文中还分析了叶顶间隙激振力的产生机理及其特性,可为优化叶顶结构设计和减小叶顶间隙激振提供理论依据。     

低压轴流风机的内部涡流特性及气动噪声

以中央空调中带导风圈的低压轴流风机为研究对象,对其内部涡流特性和气动噪声展开研究。采用大涡模拟计算了均匀进气情况下半管道式低压轴流风机的三维瞬态流场。计算结果表明叶尖涡是其内流场主要特征,叶尖涡的形成、发展和破碎对气动噪声源的分布有重要影响。提取了主要噪声源处的非定常压力脉动进行频谱分析,显示其叶片尾缘处脱落涡频率特征明显。风机的远场噪声采用LES/FW-H声类比方法进行预测,结果表明低压轴流风机的气动噪声以宽频成分的紊流噪声为主,预测的声压级频谱与实验吻合得较好。     

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．     

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。     

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。     

弯曲动叶对跨声速压气机转子气动性能与旋涡结构的影响

在验证数值可靠性的基础上,利用商业软件NUMECA对跨声速压气机动叶弯曲造型并进行三维数值模拟.结果表明:叶片弯曲变形改变了型面静压分布、三维激波结构以及通道内旋涡结构.反弯曲改型设计在保证稳定工作范围和总压比的前提下绝热效率得到了提升,其提升效果随着弯高、弯角而变化,最高达1.3%.正弯曲改型设计使得转子气动性能降低,且随着弯高、弯角的增大,其性能恶化趋于严重.反弯曲设计叶顶激波后移且激波强度减弱,叶顶前缘压差的减小使得泄漏流及泄漏涡强度大大降低;相反,正弯曲设计叶顶激波前移激波强度增强,且大的叶顶前缘压差加剧了叶顶泄漏流动及泄漏涡强度.     

变工况下周向弯曲风扇叶顶涡声特性

采用计算流体力学数值方法研究变工况下周向弯曲低压轴流风扇的叶顶泄漏流动特性,结合涡声理论分析泄漏涡与声源的协同特性,分析叶片不同周向弯曲方向对协同性的影响,并通过近场机匣壁面动态压力测量和远场声学测量,验证叶片周向弯曲方向对近远场声学特性的控制规律.研究表明,泄漏涡声源是周向弯曲叶轮小流量工况下的重要声源,速度矢量与涡矢量的夹角值控制叶顶区域声源强度和分布.近远场实验结果表明,泄漏涡声源与远场声学关系密切.     

凹槽状小翼对涡轮动叶叶顶气动和传热性能的影响

针对叶顶间隙的高速泄漏流及复杂的流动问题,采用数值求解三维RANS方程和k-ω湍流模型方法,研究了凹槽状小翼结构对涡轮级动叶叶顶传热特性和气动性能的影响。数值获得的叶顶表面传热系数分布和实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。对比分析了叶顶压力侧、叶顶吸力侧和叶顶两侧凹槽状小翼结构与无小翼凹槽状叶顶的气动传热性能,研究结果表明,相比于无小翼凹槽状叶顶结构:叶顶压力侧、吸力侧和两侧凹槽状小翼结构的叶顶表面平均传热系数分别降低了12.2%、17.1%和19.8%,叶顶两侧凹槽状小翼结构最大程度降低了凹槽状叶顶间隙的泄漏流量,减弱了压力侧角涡和刮削涡,进而降低了凹槽状叶顶的传热系数;压力侧、吸力侧和两侧凹槽状小翼结构的动叶总压损失系数分别增加了8.5%、降低了8.5%和降低了2.5%。吸力侧凹槽状小翼结构能有效降低凹槽状叶顶的传热系数,并且减少气动损失,具有最佳的气热性能。     

不同叶顶几何形状对压气机叶栅间隙泄漏流动的影响

为揭示不同叶顶几何形状对压气机叶栅间隙泄漏流动的影响,以压气机平面叶栅作为研究对象,应用数值模拟方法,采用6种不同的叶顶几何形状对比研究泄漏涡的变化.结果表明,合理的叶顶几何形状可以在一定程度上降低叶尖损失,不同叶尖几何方案对于改善气流偏转、提高叶栅流通能力有较好效果.吸力面全部片削叶顶对调控叶尖损失、改善叶栅性能效果最为显著.     

附面层抽吸对带有叶顶间隙扩压叶栅涡量场影响

针对带有叶顶间隙的大转角扩压叶栅,采用实验校核的CFD方法分别研究了叶顶开槽、吸力面端部开槽及叶顶-吸力面端部组合开槽抽吸对涡量场的影响,结合涡动力学理论分析附面层抽吸机制。结果表明涡量是流场中自由涡的根源,其峰值区域严重堵塞流场,叶顶抽吸通过吸除径向潜流附面层控制泄漏流轴向涡量分布,降低了泄漏损失,而吸力面开槽消除了角区复杂分离结构,通过二者的组合,将涡量吸附至近壁面处,流场中损失模式趋于简单化。     

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。     

叶顶间隙对贯流式水轮机空化流场的影响

为了研究空化流动下灯泡贯流式水轮机中叶顶间隙数值变化对其压力脉动特性的敏感性,揭示不同叶顶间隙值对灯泡贯流式水轮机非定常流动特性的影响.以某电站原型机为研究对象进行全流道数值计算和模型试验研究,用4种间隙δ变化方案对压力脉动特性进行比较.分析了叶顶间隙处的流场结构,并对数值计算结果和模型实验结果进行了对比.结果表明:文中所使用的方法可以基本反映出水轮机内部的流动情况;当空化系数开始降低时,水轮机的效率发生变化,水力性能降低,达到临界空化系数时,效率下降明显;受到空化加剧的影响,叶片背面处监测点的压力脉动幅值增加,靠近轮缘处幅值大于叶片中部和轮毂处,当局部压力降到空化压力以下时波动不再剧烈,"削波"现象产生;随着叶顶间隙值的增加,转轮间隙处空化程度加剧,空化形态由间隙空化演变为翼型空化,并出现泄漏涡空化;叶片反面轮缘处压力脉动主频与叶片转频相差不大,较大的叶顶间隙值可以有效降低轮缘处高频压力脉动,然而泄漏流动加剧会导致空化更为严重.因此,选取的叶顶间隙数值对于灯泡贯流式水轮机在稳定运行和降低振动噪声方面具有重要的意义.