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。     

气膜抽吸与叶片前缘内部壁面射流的作用机制

为揭示气膜抽吸对壁面射流流动与换热的干涉效应,获得壁面射流冷却通道内的流动特性与换热特性,建立了涡轮叶片前缘带气膜抽吸的单通道壁面射流冷却计算模型。采用RANS方法,结合SST k-ω湍流模型,研究了气膜抽吸、射流雷诺数、气膜孔位置和数量等因素对壁面射流内部冷却特性的影响机制。结果表明：气膜抽吸会大幅提高流动结构的稳定性,气膜孔入口的分离涡则会显著提高孔口附近的换热系数;气膜抽吸引起壁面射流流量的降低不利于靶面下游的冷却,但滞止区和通道内的流动损失降低幅度大于气膜孔内的掺混损失,从而使整体流动损失系数降低了4.5%;射流雷诺数的增加会提高换热强度,但对流动结构几乎没有影响;单孔结构中,在前缘滞止线处开孔能够提供最高的气膜流量比,且对前缘内部靶面的冷却效果良好;多孔结构中,双气膜孔结构的流动损失最大,三气膜孔结构的流动损失和换热强度最为均衡。研究结果可为壁面射流冷却结构的气膜孔布置提供依据,为进一步提高壁面射流冷却结构的冷却效果提供参考。     

合成射流控制下低压高负荷透平叶片边界层分离大涡模拟

为了研究合成射流对低压高负荷透平叶片边界层流动分离进行控制的效果及机理,采用大涡模拟方法对利用合成射流控制低压高负荷透平Pak-B叶栅内的非稳态流动分离特性进行了研究.在合成射流控制下的结果表明:Pak-B叶栅吸力面流动分离位置变化不大,再附位置明显提前,叶栅吸力面尾缘区域逆压梯度明显减小,总压损失系数降低,分离泡尺寸缩小;叶栅吸力面大部分剪切层黏附于壁面,也未出现大尺度二维展向涡,静压脉动特征频率向高频转移,低频脉动幅值降低,大尺度涡旋结构发生变化.通过研究还发现:在吹气过程中,边界层外部高能流体被射流卷吸进入边界层内,边界层内流体能量增大进而抑制了分离;在吸气过程中,射流孔上游区域边界层厚度减小,流速增大,从而抑制了下游流动分离.     

尾迹影响下有复合角扇形孔涡轮叶片表面的气膜冷却效率实验研究

为研究尾迹影响下带有复合角扇形孔的涡轮叶片的气膜冷却效率变化规律,利用压敏漆技术获得了不同质量流量比、不同尾迹斯特劳哈尔数(0、0.12、0.36)下的涡轮叶片表面气膜冷却效率分布。研究结果表明:气膜孔复合角有利于射流的横向扩散,孔下游射流的覆盖面积较大;在无尾迹条件下,质量流量比的增加使得带有复合角气膜孔的涡轮叶片前缘与压力面大部分区域的气膜冷却效率提高,使得吸力面气膜冷却效率下降,吸力面靠近叶顶的低气膜冷却效率区域面积变小;在尾迹条件下,质量流量比的增加使得前缘、压力面以及吸力面靠近尾缘区域的气膜冷却效率提高,使得吸力面其他区域的气膜冷却效率降低;尾迹会使叶片表面气膜冷却效率显著降低,在尾迹斯特劳哈尔数为0.36的条件下,小质量流量比时叶片表面气膜冷却效率的平均降幅为35%,大质量流量比时平均降幅为26%,气膜冷却效率的下降幅度减小。     

导流叶片两端间隙不同分配对可调向心涡轮性能影响

针对现有可调涡轮产品缺少喷嘴环叶片两端间隙约束机构现状,选取三种典型喷嘴环叶片间隙分布模型,用数值方法研究喷嘴环叶片两端间隙不同分配对涡轮级性能影响,并找出导致涡轮性能变化的相关机理,为提高可调向心涡轮在非设计工况下性能提供参考. 研究结果表明:在小开度情况下导流叶片两端间隙变化导致涡轮级效率差别至少为4％,且流动损失变化主要集中在转子段;导流叶片间隙泄漏流中气体气流角小于主流气体,因此间隙分布变化可以改变转子叶片吸力面前缘附近分离涡位置,从而改变转子叶轮通道内部流动损失,最终影响涡轮性能.      

装配间隙泄漏流对透平端壁冷却影响的实验研究

为了研究叶栅装配间隙泄漏流对透平叶片端壁气膜冷却特性的影响,依据真实重型燃气透平叶片参数,搭建了端壁气膜冷却实验台。采用压力敏感漆技术测量了不同质量流量比和装配间隙角度下端壁的气膜冷却特性,使用压力扫描阀测量了主流进口雷诺数和叶片表面压力分布。通过数值计算模拟了实验叶片装配间隙的流动结构,得到了装配间隙冷气出流质量流量比及射流角度的气膜冷却特性。结果表明：在装配间隙冷气出流质量流量比为0.1%～1.0%的范围内,在相同射流角度下,增加装配间隙质量流量能够提升透平端壁气膜冷却有效度,并增大装配间隙下游出口气膜覆盖面积,冷气质量流量比为1.0%时端壁气膜冷却有效度达到最高。由于叶片端壁表面的压力梯度导致装配间隙出流集中在流道中部及出口位置。在研究的60°～90°射流角范围内,在相同质量流量比下,减小装配间隙射流角度能够有效提升端壁气膜冷却有效度,75°射流角相较于90°垂直入射条件下的气膜冷却有效度增加接近一倍;射流角为60°时端壁气膜冷却有效度达到最高。     

透平叶片前缘双排交错孔气膜冷却数值模拟

为了解前缘冷气喷射对透平叶片的气膜冷却特性,对圆柱形前缘双排交错孔气膜冷却进行了全三维N-S方程数值模拟,第一排孔射流角度分别为15°、20°和25°,第二排孔均为20°。计算域网格采用FNM(full non-matched)形式的多块结构化网格。研究了射流与主流的流动机理,分析了不同吹风比下不同孔排结构对壁面冷却效率的影响。计算结果表明:第一排射流角度的变化对前缘绝热效率分布的影响非常明显,壁面气膜冷却效率随吹风比的增大而升高。     

不同孔口构型合成射流激励器的低速翼型分离控制特性

为探索孔口构型对合成射流激励器流动控制效果的影响,采用数值方法研究了4种不同孔口构型的合成射流激励器对大攻角20。下NACA0015翼型分离流动的控制特性。通过对翼型气动力特性、脱落旋涡结构以及射流孔口附近流动结构的分析,阐述了合成射流的边界层分离控制机理。首先在距离翼型前缘10％、20％、30％弦长位置安装激励器进行数值模拟,得到20％弦长的激励器方案效果最好。然后在此位置处,采用设计出的“凸台型、凹台型、斜出口”以及常规平台型等4种孔口构型的激励器进行流动分离控制。结果表明,在所有方案中,流动控制效果最佳的方案是喷口向流动方向倾斜的孔口构型;在这种方案下,射流与主流掺混使得边界层的动能增大,抗反压能力增强,并且由于喷出的气流方向与主流方向夹角很小,掺混后的气流流动方向与主流相近,从而使得边界层分离被大大削弱甚至消失。     

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.     

发散冷却和前缘槽缝射流作用下涡轮静叶端壁流动结构的研究

数值研究了无发散冷却与3种发散冷却气质量流量比下的涡轮静叶端壁附近涡结构、总压损失系数和端壁、叶表绝热冷却有效度以及两种冷却气在端壁上的流动结构。研究表明:发散冷却气质量流量比由5%增加至7%时,进口截面端壁附近的总压峰值升高3.7%,峰值区流体在叶片前缘滞止后向上卷起形成冲击涡;发散冷却流量增加会增强冲击涡而吸力面角区涡对被削弱。低流量冷却气会使整体总压损失降低,而发散冷却气质量流量比由5%升高至7%时总压损失增加4.5%。发散冷却气注入时,冲击涡会将冷却气携带至叶表,在压力面形成显著的泛冷却效果;发散冷却气质量流量比增加至7%会使冲击涡纵向伸长并分裂出三次涡。发散冷却贡献占比的计算结果表明,边界层分离线上游端壁由槽缝射流冷却气覆盖,而叶表和下游端壁的冷却由发散冷却主导。静叶端壁流动结构受到上游燃烧室内壁发散冷却的显著影响,并将改变端壁冷却特性。