多级轴流压气机末级静子叶片串列改型方法及流动机理研究

针对多级轴流压气机末级静子叶片转折角大、角区分离严重、流动损失显著的问题,以某工业用6.5级轴流压气机末级静子为主要研究对象,提出了一种三维串列叶片几何参数化建模方法,能够实现对串列参数沿叶高分布规律、叶片弯掠等三维特征的灵活控制,以支持单列叶片向串列叶片的改型设计,并结合数值计算方法,开展了末级串列静子改型设计对压气机气动性能及内部流场的影响研究。结果表明：对6.5级轴流压气机,末级静子叶片由单列改为串列后,6.5级压气机设计工况绝热效率提高了0.965%,稳定工况范围有所拓宽;串列叶片缝隙区射流的流动局部加速作用能够抑制角区分离的周向和径向发展;相比机匣附近,轮毂附近串列参数的变化对压气机气动性能的影响更为显著,且周向交错度较轴向重叠度的影响更大。研究成果对多级环境下压气机三维串列叶片设计具有参考价值。     

不同容积流量下汽轮机低压缸末三级定常流动数值研究

借助商用计算流体动力学软件CFX,对不同容积流量下某大型核电汽轮机低压缸和排汽缸联合进行了全三维黏性定常流动的数值研究,详细分析了低压缸末三级的流动特性。结果表明:在40%设计流量下,末级动叶根部受逆压梯度的作用,在吸力面近尾缘区域开始发生流动分离,并随着流量的进一步减小,逆压区域向径向发展而形成回流;在30%设计流量下,负攻角导致末级动叶顶部压力面的近前缘区域发生流动分离,随着流量的进一步减小,该分离向叶根发展;在10%设计流量下,末级静叶顶部及根部受负攻角的作用而导致压力面近前缘区域发生流动分离;末级动叶在靠近叶顶处的绝对出口气流角会随着流量的减小不断增大,通过绝对出口汽流角在叶高方向的转折点可以判断回流区径向扩展的位置。     

S1/S2相对流面迭代法及其在汽轮机改型中的应用

应用吴仲华教授提出的S1／S2两类相对流面迭代方法，松水蒸气性质计算，并将AMDC（Aeiley/Mathieson/Dunham/Came)损失模型引入到计算中，实现了两类相对流面的迭代计算，用该计算方法对某热电联产汽轮机低压级组通流部分的叶片进行了倾扭复合成型设计，改变了流道中的压力分布，使级反动度沿径向的变化更趋合理，通过参数优化和静，动叶栅匹配，使该级组相对原设计的相对内效率提高了6．6％左右。     

多级轴流压气机末级串列静子三维优化设计与分析

为充分挖掘串列叶片对压气机扩稳增效的潜能，在对多级轴流压气机末级静子串列改型的基础上，选取不同叶高处前后排叶片相对位置、负载分配、弯掠特征及端壁轮廓等25个参数为设计变量，开展某工业用6.5级轴流压气机末级串列静子叶片与端壁的一体化优化设计研究，并采用随机森林方法对串列叶片几何参数进行特征重要性分析，提炼出串列参数设计指导。结果表明：优化后压气机末级在设计工况、近喘工况和近堵工况下的绝热效率分别提升4.81%、3.37%和8.195%;对于末级串列静子，最优串列参数随叶高变化而变化；调整前后叶片的弦长比与弯角比以实现串列叶片负荷前加载、调整叶片后掠与反弯以降低叶片端壁处负荷、设置叶中部分更大的周向交错度使缝隙区流体充分加速，均能有效降低末级串列叶片流动损失；串列叶片缝隙区尺寸，尤其是周向交错度，较其他参数对串列叶片性能的影响更为显著。研究成果应对压气机三维串列叶片设计具有参考价值。     

空冷200MW汽轮机低压级组小容积流量特性的计算与分析

对我国空冷三排汽２００ＭＷ汽轮机低压级组的小容积工况性能进行了计算与分析，该级组在小相对容积流量工况范围内经济性指标降低的主要原因是末级排汽损失剧增，动叶顶部区域产生大负冲角及根部区域出现大尺度分离流动。     

轴流泵叶片设计中叶轮出口液体速度矩分布

研究了轴流泵叶片设计中叶轮出口液体速度矩分布形式对叶轮出口液体速度、理论扬程、扩压系数、水力损失、叶片安放角、叶片扭角等参数沿叶片高度分布的影响情况,选择了幂函数和现有的二次多项式函数分布规律．研究表明,速度矩分布形式对叶轮出口液体速度、理论扬程、扩压系数、水力损失、叶片安放角、叶片扭角等参数沿叶片高度分布的影响是很大的,特别在轮毂处．在出口速度矩采用幂函数分布规律的情况下,幂为0．50～0．75时,流动和叶片几何参数分布较合理。     

成组叶片振动特性的三维数值模拟及实验研究

采用三维8节点非协调单元，建立了成组叶片振动特性计算的三维有限元模型。该模型考虑到成组叶片位移约束的周期对称性，引入了斜边界条件和斜坐标系统来处理成组或整圈叶片的约束条件，从而可以准确地计算出三维复杂形状叶片组在动、静状态下的固有频率和振型。利用该方法对实例进行了计算，同时又在高速动平衡实验室进行了实验验证。计算结果和实验结果对比表明，用该方法计算的叶片振动特性精度较高，为计算复杂几何形状叶片组的振动特性提供了一种有效的手段。     

带叶片扩压器离心压缩机模型级内流研究

通过对在研工业用带翼型叶片扩压器离心压缩机模型级的内部流动进行数值模拟,以及对模型级外特性进行了实验研究,分析了模型级内部流动特点、损失机理及其对级性能的影响。研究发现:该离心压缩机模型级性能较好,工况范围内效率曲线非常平坦,稳定运行范围较宽,整级效率高达82%;设计流量下叶轮出口轮盖与叶片吸力面的角区有明显的尾迹区存在,小流量下进入叶片扩压器内的气流在叶腹的流动没有得到有效滞止,大流量下气流以冲击叶片扩压器叶腹为主,同时在叶背上出现了较大的旋涡区;不同工况下叶片扩压器内的流动损失和扩压效果由不同工况下的流动特性决定。数值模拟和实验研究获得的模型级外特性曲线一致,表明所采用的数值模型能够准确预测模型级内部的流动特性。     

300 MW汽轮机中压缸多级叶片气动设计与分析

为了改进某汽轮机中压缸的气动性能,对其前3级的直静叶设计提出反扭或弯扭等多种改型方案,并运用计算流体力学（CFD）方法对原方案和改型方案的内部流场进行了数值模拟．根据计算结果分析了不同方案下的级内流动特性和气流参数变化,给出了各方案下的多级效率．计算结果表明,静叶扭转减小了动叶的相对进气角,从而使多级效率有所提高．静叶的弯曲改型对多级效率的影响不明显,但能改善叶间流场的分布形态．     

某型航空发动机压气机叶片气动负荷的近似计算

以某型航空发动机压气机四、五、六级动叶为研究对象，在缺乏叶片扭向设计参数的情况下，根据发动机在地面标准大气条件、设计转速下计算所得的气流参数——压力、温度和速度，应用压气机增压过程中的能量转换关系及级压缩功的表达式，并考虑到动叶受力远大于静叶受力、动叶故障率远大于静叶故障率的事实，近似计算了发动机设计转速下四、五、六级动叶的气动负荷随叶高的变化，从而找到了一种叶片气动负荷的近似计算方法，并为叶片强度校核及振动分析打下了基础。     

动叶优化对跨声速压气机级性能影响的数值研究

为研究动叶优化对于整级性能的影响,用优化动叶代替原型动叶在0.8~1.1倍设计转速进行了数值研究。结果显示,动叶优化后整级的通流能力得到提升,设计转速下堵塞流量较原型提升了0.53%;级性能得到了提高,在1.0倍和1.1倍设计转速时最高效率分别提升了0.45%、0.44%。0.8~0.9倍设计转速时,压比和效率变化不明显;动叶流道内激波结构变化不明显,叶顶和叶根的激波强度有所增加,中径处激波强度降低;动叶优化后,静叶叶顶区域进口气流角明显增大,恶化了静叶叶顶吸力面的流动状态,导致静叶吸力面叶顶分离区增大,静叶出口总压损失系数增加。     

Numerical investigation on the self-excited oscillation of wet steam flow in a supersonic turbine cascade

The self-excited flow oscillation due to supercritical heat addition during the condensation process in wet steam turbine is an important issue. With an Eulerian/Eulerian model, the self-excited oscillation of wet steam flow in a supersonic turbine cascade is investigated. A proper inlet supercooling results in the transition from steady flow to self-excited oscillating flow in the cascade of steam turbine. The frequency dependency on the inlet supercooling is not monotonic. The flow oscillation leads to non-synchronous periodical variation of the inlet and outlet mass flow rate. The aerodynamic force on the blade varies periodically due to the self-excited flow oscillation. With the frequency lies between 18.1?80.64 Hz, the oscillating flow is apt to act with the periodical variation of the inlet supercooling due to stator rotor interaction in a syntonic pattern, and results in larger aerodynamic force on the blade. The loss in the oscillating flow increases 20.64% compared with that in the steady flow.     

叶尖间隙对小流量超音压气机级性能的影响

为研究叶尖间隙对级环境下压气机气动性能的影响,以带导叶的超音压气机级为研究对象,采用商用软件NUMECA对该压气机在转子叶尖间隙为0、0.3、0.6、0.9 mm时进行三维数值计算,分析了该压气机级气动性能及流动特点.结果表明:随着叶尖间隙的增大,转子叶尖处激波向上游移动;静子进口气流攻角增大,最终导致压气机稳定工作裕度、转子峰值点效率和静子低损失范围降低.叶尖间隙对进口导向器性能基本没有影响.     

基于CFD的转轮叶片对虹吸式水轮机水力性能的影响分析

为了更加高效地利用超低水头水力资源,设计了一种采用虹吸式出水流道的轴流式水轮机。针对这一形式的水轮机,在设计水头和额定转速下采用CFD进行三维数值模拟,计算各过流部件的水力损失,研究水轮机的水力性能。通过改变转轮叶片出水边翼形,对比分析转轮出口水流流态与虹吸式出水流道水头损失的关系,研究不同叶片对虹吸式水轮机水力性能的影响。结果表明,在水头、转速和导叶开度相同的情况下,各修改方案中叶片3使得出水流道水头损失较小,其对应的平均涡角为13.26°,出水流道水头损失为0.135 m,水轮机的效率也较高(为89.33%)。此外,选取效率较高的叶片,改变叶片数量,分析其对虹吸式水轮机水力性能的影响。     

脉冲进气条件下弹性约束导叶可变几何涡轮性能研究

文中基于可调涡轮弹性约束导叶的概念,采用流固耦合方法研究了在脉冲进气条件下,弹性约束导叶涡轮的非稳态特性以及脉冲幅值和频率对其性能的影响,通过与传统可调涡轮对比,分析了弹性约束导叶可调涡轮性能发生变化的原因.结果表明,脉冲进气幅值越小,频率越低,弹性约束导叶可调涡轮相对传统可调涡轮流量提升率越大,输出功率提升率越大,效率下降率越低.通过对转静子进口气流角以及导叶出口压力损失分布的分析,论证了弹性约束导叶涡轮性能对脉冲幅值和频率发生变化的原因.      

高负荷低展弦比涡轮流动机理

为满足固体推进剂涡轮火箭发动机高负荷、高效率、低展弦比涡轮设计要求,对发动机涡轮进行初步设计.采用哈尔滨工业大学编制的叶型编辑程序,设计单级膨胀近似为4的涡轮动静叶叶型,采用NUMECA软件对所设计的涡轮动静叶流场进行数值计算.结果表明:高膨胀比涡轮动静叶整个流道内均出现超音速流动,采用缩放通道可减小激波损失;静叶出口马赫数较高,产生的尾缘激波与相邻叶栅吸力面相交,使吸力面马赫数波动,产生逆压梯度,增大了流动损失;在动叶中,端壁附面层内二次流沿壁面汇聚到吸力面中部,使吸力面中部损失增大.     

静叶时序对高压涡轮性能影响的数值研究

现代航空工业的快速发展,要求不断地提高航空发动机的性能。涡轮作为航空发动机三大核心部件之一,其气动性能的改善对整个航空发动机的性能提高起着至关重要的作用。基于这一背景,通过对某1+1/2级静/动/静布局的涡轮叶片进行数值模拟,改变第二级静叶周向位置,研究时序效应对涡轮性能的影响。发现时序效应对涡轮上游流场影响微乎其微,对涡轮进口流量和落压比的影响不大,主要影响到涡轮效率。从而说明,在叶片设计初级阶段,可以通过时序效应,调整叶片周向位置,改善涡轮性能。     

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。     

汽轮机高压冷却蒸汽对中压缸转子的冷却效果研究

为分析大功率汽轮机高压冷却蒸汽对中压缸转子的冷却效果,采用CFD和共轭换热(CHT)方法,对600MW汽轮机中压缸前两级内部流动及换热进行了分析,研究了高压冷却蒸汽对中压缸前两级转子轮缘及叶根的冷却效果及其对近根部流动特性的影响.结果表明,高压缸冷却蒸汽以级效率降低为代价,有效地实现对中压缸转子的冷却功能,使中压缸前两级转子轮缘最高温度分别比主叶片体温度显著降低.     

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。