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．     

叶表静压孔对平面叶栅性能的影响

为研究某压气机叶栅试验过程中静压孔导致栅后损失增大原因,通过试验校核CFD方法,研究了叶片表面静压孔对叶栅性能的影响,结果表明：叶片表面静压孔影响了近壁面流场形态,静压测量偏差达到2%,气流在静压孔内形成旋涡,随着旋涡强度增大,有旋气流的生成与脱落对流体产生扰动,使得叶片表面阻力增大,附面层增厚,栅后总压损失加大,φ1.0mm静压孔导致栅后总压损失平均值增大了30%,相比之下,静压孔对气流角的影响较小。     

轴流压气机平面叶栅气动特性的数值研究

以轴流压气机DMU37动叶根部5%叶高典型截面叶型为研究对象,采用Fluent软件,计算分析不同冲角和进口等熵马赫数下叶栅流场损失及气动特性.结果表明:同一冲角下,进口等熵马赫数的提高增加了叶片负荷和扩压能力,同时也使出口总压损失增加,失速冲角范围变小;相同进口马赫数时,随着冲角增加,出口总压损失先减小后增大,-4°冲角时总压损失最小.同时,验证了轴流压气机平面叶栅马赫数、冲角损失特性规律具有相似性,并且,叶栅端壁区域受进口马赫数和冲角变化影响较大.     

叶片前缘造型对压气机平面叶栅气动特性的影响

为探究叶片前缘造型对压气机平面叶栅气动性能的影响规律,基于Fluent软件,采用一种径向参数造型方法对轴流压气机DMU37动叶根部5%叶高平面叶栅进行前缘改型,分析不同冲角下造型参数变化对叶栅流场气动性能的影响规律.结果表明:切削后的叶栅流场出口截面质量平均的总压损失系数变大,但较小切削深度使可计算正冲角范围扩大2°;在0°及正冲角时,切削后的叶栅静压比提高,端部区域低能流体向叶高中间位置迁移,端部区域总压损失变小;切削后的叶栅流场损失特性变化开始于前缘附近,进而影响整个流道,证明前缘对整个流场气动特性变化具有重要作用,为进一步探索前缘造型方法提供了参考方向.     

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。     

涡轮动叶倾斜肩壁凹槽状叶顶气动性能研究

基于垂直肩壁凹槽状叶顶，提出肩壁向外倾斜以实现叶顶泄漏损失的控制，并对比了3种肩壁倾斜方式(压力侧倾斜、吸力侧倾斜、压力侧和吸力侧同时倾斜)和5种肩壁倾角(10°、20°、30°、40°、50°)的涡轮动叶倾斜肩壁凹槽状叶顶结构的泄漏流动特征和动叶出口总压损失分布。结果表明：压力侧倾斜肩壁阻碍了泄漏流从压力侧进入叶顶间隙，而吸力侧倾斜肩壁对泄漏涡产生压迫，泄漏涡朝远离机匣面和吸力面的方向偏移，3种肩壁倾斜方式均减弱了叶顶间隙泄漏流在叶顶间隙内的湍流耗散。当倾角较小时，泄漏流与主流的掺混损失因速度差的提高而增大，随着倾角继续增大，泄漏量的大幅下降弥补了速度差增大带来的负面效果，泄漏损失逐渐减小。对于压力侧和吸力侧倾斜肩壁凹槽叶顶，当倾角大于40°时，主流从吸力侧进入凹槽，加剧了下游区域的泄漏流动，叶顶泄漏损失反而增大。两侧倾斜肩壁凹槽状动叶叶顶具有最低的叶顶总压损失，相比垂直肩壁凹槽状叶顶下降了13%。研究内容为提高凹槽状动叶叶顶气动性能的肩壁结构设计提供了参考。     

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。     

跨音速涡轮平面叶栅气动性能试验研究

为研究某型涡轮叶片根部截面的平面叶栅在不同攻角和不同马赫数下的气动性能,采用风洞吹风试验对叶栅总损失特性、出口能量损失分布、叶片表面和壁面压力与马赫数分布等气动参数变化情况进行分析.结果表明,叶栅所采用的叶型具有较为明显的后部加载特性,叶栅能量损失在较宽攻角范围内保持较低水平,且随着出口等熵马赫数的变化呈现先减小后增大的变化规律.     

具有叶顶间隙轴流叶栅流动数值模拟

采用人工可压缩性方法对具有叶顶间隙的轴流叶栅内湍流流动进行了数值模拟.结果表明,叶顶间隙的减小使间隙涡产生过程延缓,强度的衰减速度增大,作用范围减小;间隙涡涡核沿流动方向由吸力面侧逐渐向压力面侧移动,叶项间隙存在使叶片表面压力系数有所降低,在叶尖附近降低尤为显著,随间隙减小叶片中间区域及根部受间隙的影响较小;间隙的存在导致主流速度明显降低,叶尖附近的二次流速度明显增大,尤其当间隙为2%～5%的弦长.     

叶片弯曲对压气机叶栅损失与速度的影响

进行了带尾板的由常规直叶片、正倾斜叶片、正弯曲叶片、反弯曲叶片、S形叶片组成的5种矩型压气机叶栅在低速风洞上的实验研究，测量了叶栅出口流场，分析了零冲角下不同叶片弯曲形式对叶栅出口总压损失分布情况和主流速度的影响．结果表明，弯曲叶片对压气机叶栅出口流场有很大的影响，正弯曲叶栅可以降低叶栅的端壁损失，反弯曲叶栅加大了角区分离，恶化了两端区流动，总损失高于直叶栅．     

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。     

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.      

流量比对气膜冷却叶片表面换热系数的影响

为深入了解某型涡轮叶栅进口导叶叶片的换热规律,采用瞬态液晶技术测量了无气膜孔叶片和带气膜孔叶片在不同流量比下的表面换热系数,通过对比分析,研究了气膜出流和流量比变化对叶片表面换热的影响.实验中叶栅通道来流雷诺数为108 000,叶片气膜出流与叶栅通道来流的质量流量比为0、3.46%、4.61%、5.77%、6.93%、8.08%、9.23%.实验测量获得了无气膜叶片中截面的压力分布曲线,以及各流量比下叶片表面的换热系数分布云图及其平均值线图.研究结果表明:叶片吸力面存在气流流动分离;气膜出流使得分离点位置提前,并且缩短了分离再附着的过渡区域;气膜出流使叶片前缘、压力面和吸力面气膜孔区域的换热系数大幅升高,但对吸力面分离点后区域的换热影响不大;在实验工况范围内,气膜出流流量比越大,换热系数越高.     

隔板位置对凹槽叶顶传热和冷却性能的影响

采用数值求解RANS方程(Reynolds averaged Navier-Stokes equations)的方法,对3种带隔板的凹槽叶顶间隙内的流动、传热以及冷却特性进行了研究,隔板分别位于凹槽25%、50%和75%弦长处,3种结构分别称为rib25、rib50、rib75,并与无隔板时的常规凹槽叶顶间隙内的总压损失、传热和冷却特性进行了对比。结果表明:随着叶顶间隙的增大,叶顶表面传热系数逐渐增大;rib75结构的气动损失最小,在无气膜冷却条件下,rib75结构的叶顶比纯凹槽叶顶的总压损失低0.16%,对于叶顶带中弧线气膜冷却工况,rib75结构叶顶的总压损失比带常规凹槽叶顶的叶栅低0.15%;随着隔板向前缘方向移动,凹槽底部前缘吸力面侧的高传热区明显减小,在常规凹槽、rib25、rib50、rib75这4种叶顶结构中,rib25结构的叶顶平均传热系数与常规凹槽叶顶相近;加入叶顶中弧线气膜孔后,带隔板的叶顶可使冷气流更易聚集在凹槽底部区域,冷却效果显著提高,其中rib25结构具有最佳的冷却效果,比常规凹槽叶顶的平均冷却系数约高21.5%。     

串列叶栅前后排叶型对叶片损失的影响

为了研究串列叶栅前后排叶片叶型变化对叶片损失的影响,采用数值模拟方法,对三种不同叶型组合的平面串列叶栅在0°攻角工况下,进行了总压损失分布和损失机理分析。研究结果表明,前排叶片的叶型,尤其是前缘形状的改变对串列叶栅的总压损失分布有显著影响;而后排叶片的叶型变化造成的影响较小;参数L=ρV03/T反映了附面层内熵增的难易程度。由于前排叶片前缘附近的L值要远大于后排叶片,从而导致串列叶栅的总压损失对前排叶片的叶型变化更加敏感。     

一种改进的开槽结构对叶栅性能影响的数值研究

基于利用小槽出口射流控制叶片吸力面分离气流的思想,为获得更好的叶栅流场特性,在两段式平行直线转折槽结构的基础上,提出一种改进的开槽结构,用CFD方法对2种结构开槽前后的叶栅流场进行数值模拟分析对比。为进一步研究改进结构的槽道出气角对叶栅性能的影响,另设计了多种出气角度。计算结果表明,改进的槽道能够更好地改善叶栅性能,获得更高的气流转折角和静压升,以及更低的总压损失。槽道出气角对叶栅性能也有较大的影响。     

动叶尾缘结构对涡轮气动性能影响研究

为了探索动叶尾缘结构对气冷涡轮流场及气动性能影响规律，本文针对某船用燃气轮机高压涡轮动叶模型采用CFD软件分别开展了变叶盆侧尾缘长度、变叶背侧尾缘长度及尾缘全劈缝3种结构型式下的三维数值模拟研究。结果表明：涡轮进口流量主要受最小喉道面积控制，变叶盆侧尾缘长度气动性能优于变叶背侧尾缘长度，变叶盆侧尾缘长度总压损失系数随着两尾缘之间的距离增大而减小，出口相对气流角随着两尾缘之间距离的增大而有增大的趋势。两尾缘之间距离每增加1 mm，总压损失平均减少0.45%，出口气流角平均增大0.17°。尾缘全劈缝与最优变叶盆侧尾缘情况相比，尾缘全劈缝总压损失最小、出口相对气流角更接近几何出气角。     

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。     

叶顶形状对动叶顶部流动和传热的影响研究

应用数值方法和标准k-ω湍流模型,研究了燃气轮机轴流透平不同叶顶密封方式对透平动叶顶部间隙内流动与传热的影响.计算叶型采用GE-E3发动机高压透平第一级动叶片,考虑了4种不同的叶顶密封方式.详细分析了不同叶顶密封时叶项的流动结构和传热分布.研究了旋转对动叶顶部流动和传热的影响,并与静止的平面叶栅中获得的结果进行了对比.结果表明:不同叶顶密封方式对叶顶间隙泄漏流场影响很大;双侧肩壁密封具有最好的密封性能,而压力面肩壁密封性能最差;采用吸力面肩壁密封获得了最低的叶顶传热系数,压力面侧肩壁密封的叶顶传热系数则最高;相对于静止叶栅,旋转改变了叶顶泄漏流动结构,增加了叶顶的传热系数.     

低雷诺数对透平叶片间隙泄漏流动影响的研究

采用预处理方法数值研究了低雷诺数时某小型燃气轮机透平叶栅间隙泄漏流动和气动性能.对比分析了雷诺数从4.40×104到2.55×105变化时,带间隙和不带间隙时流场的变化特性,研究了雷诺数对间隙泄漏流的影响,并和相应的实验结果及Denton预测值进行了对比.结果表明:对于间隙存在造成的流动损失,数值模拟结果与实验结果及Denton的预测值都十分接近,基本上不随着雷诺数的变化而变化;但是,随着雷诺数的减小,通道涡增强;间隙泄漏涡在和通道涡的相互作用中,强度减弱,在叶栅出口处的位置更加靠近中叶展;出口处的总压损失和气流角的分布也由于间隙泄漏涡强度和位置的变化而发生改变.