叶尖小翼对高亚声速扩压叶栅气动特性影响的数值研究

压气机正逐渐向着高负荷、高稳定性的方向发展.为有效控制该趋势下间隙区域内的流动损失加剧现象,可在高亚声速的扩压叶栅中加装叶尖小翼.本文对原型叶片及不同宽度的压力面与吸力面叶尖小翼叶片进行数值研究.结果表明:高亚声速下不同安装方案下的叶尖小翼均可以改善压气机的气动特性,削弱泄漏涡的强度,其中,压力面小翼对于流场的改善效果更为明显,与原型相比,PW2.0的总压损失系数降低了4.47%.     

整体涡旋流畸变下的压气机失速机理分析

为了研究跨声速压气机在整体涡旋流畸变下的失速机理,采用数值仿真方法对Stage35进行了整级数值模拟,研究了叶片通道流场中触发压气机失速的关键因素,分析了不同转速下,叶顶泄漏涡和径向涡在旋流畸变条件下的变化情况。结果表明:同向整体涡能抑制叶背流动分离,使径向涡体积减小,叶顶泄漏涡减弱,叶顶通道堵塞程度减小,压气机稳定裕度增大;出现反向整体涡时,叶背气流分离加剧,径向涡体积扩大,低转速下,泄漏涡增强,堵塞区面积增大,高转速下,泄漏涡变化不大,但径向涡体积扩大引起流体向叶尖堆积,形成大面积的吸力面尾缘低速区,更容易导致压气机失稳。     

叶端加不同小翼对Krain离心叶轮气动性能影响的数值研究

为了控制离心压气机叶顶泄漏流,以压比为4.7的Krain低速叶轮为研究对象,将叶尖小翼技术应用到离心压气机中,采用数值模拟对其性能进行分析研究。对3组不同间隙加装不同宽度的小翼,分析了小翼在不同间隙下对于压气机性能及失速裕度的影响,以及不同宽度的小翼对于叶顶泄漏量、泄漏涡结构及轨迹的影响。结果表明:小翼结构可提升压气机的失速裕度,且小间隙下小翼结构对失速裕度的提升效果显著,其中1.0倍宽度小翼的失速裕度增加了8.73%;小翼结构可有效减少叶顶泄漏量,在叶片靠近前缘或尾缘位置加装小翼改善效果显著,泄漏量与小翼宽度成反比关系;小翼结构使得泄漏涡运行轨迹向压力面移动,形成泄漏涡的位置更加远离前缘,泄漏涡强度减弱。     

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。     

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．     

压气机叶栅间隙流动的数值研究

通过加装叶顶小翼来控制叶栅间隙的气体流动已受到广泛关注。本文采用计算流体力学方法,对叶顶间隙流动进行数值模拟。结果表明,加装吸力面小翼可以延缓间隙泄漏涡的形成,降低泄漏涡的强度。在不同的叶顶间隙下,吸力面小翼的加装都能相应地降低泄漏涡的强度。在降低叶顶泄漏涡与主流混合损失的同时,提高了叶栅的气动性能。     

静叶叶顶部分间隙高度对压气机性能影响的数值研究

通过CFD数值模拟方法,对近失速工况下跨音速压气机静叶叶顶前部开设不同高度间隙改型进行研究,分别讨论压气机静叶叶顶前部设置50%弦长,不同高度间隙对静叶气动性能的影响.研究结果表明:在近失速工况下,由叶顶间隙产生的泄漏流可吹离吸力面和角区内的低能流体,抑制吸力面分离,减轻流道堵塞,使静叶流道内通流能力增强,扩压能力得到提升,提高了叶片的加载能力.但在设计工况下,泄露流增加了流动损失,导致效率降低.静叶叶顶前缘间隙高度对压气机性能影响较大,随着间隙的增加,泄漏流量增大,泄漏涡影响范围变大,损失增加;而间隙过小,产生的泄漏流对角区分离的抑制效果不明显,因此,存在一个最佳间隙值.     

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.     

非轴对称弯掠静叶对畸变流场影响的数值研究

为探究非轴对称弯掠静叶在压气机中应用的可行性以及弯掠静叶参数对畸变流场的改善效果,以扇形叶栅试验件为研究对象,采用计算数值模拟方法,研究非轴对称弯掠静叶几何参数对畸变流场的影响.在受进口畸变影响较为严重的位置,设置正弯、反弯、前掠、后掠静叶,构成不同非轴对称静叶造型方案,探究其对静叶流场的改善.结果表明:最佳反弯方案Nbow-0.5-10可使流场损失减小2.75%;前掠对于根部损失可起到较好的抑制作用;后掠对根部损失改善效果略逊于前掠,但有利于减小主流区的损失.     

基于圆弧斜缝处理机匣的压气机叶顶泄漏流实验和数值研究

为研究处理机匣对压气机总体性能、叶顶流动非定常性以及旋转不稳定性的影响,基于圆弧斜缝处理机匣对一台单级低速轴流压气机叶顶泄漏流进行被动控制.通过实验对不同工况下的叶顶脉动压力进行频谱分析,并对比机匣处理前后压气机性能以及转子叶顶区域流场特性的变化.结果表明:圆弧斜缝处理机匣能够使压气机获得6.8%的失速裕度提升量,抑制旋转不稳定性现象对应的频谱上的宽频带凸起,推迟泄漏涡的起始位置,进而消除了跨越相邻叶片周向传播的流动现象.斜缝内形成的回流能够抽吸低速流体,减少流道堵塞,改善叶顶的通流能力.     

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。     

端壁翼刀在跨音速压气机环形叶栅中的应用

为研究端壁翼刀对跨音速压气机环型叶栅特性及二次流的影响,采用三维定常N-S方程及Realizablek-ε湍流模型,在跨音速下对可控扩散叶型的压气机环形叶栅进行加装不同周向位置和不同高度端壁翼刀情况下叶栅流场的数值模拟.结果表明:合理选择翼刀安装位置、高度,可有效控制压气机叶栅的二次流,降低叶栅的总损失.加装在距叶片压力面50%节距处、高度为3.3 mm的翼刀设置方式为最佳翼刀设置方式.     

透平动叶多凹槽叶顶气膜冷却特性的研究

为了提高透平动叶叶顶的气膜冷却性能，并降低由叶顶泄漏流引起的泄漏损失，开展了多凹槽叶顶气膜冷却特性研究。采用试验测试和数值模拟相结合的方法，研究了燃气透平动叶不同结构多凹槽叶顶的气膜冷却特性与气动特性，其结构包括单凹槽、二凹槽、三凹槽和四凹槽4种叶顶形式。在主流进口雷诺数为1.75×10⁵条件下应用压力敏感漆技术获得了1.0、1.5和2.0等3种吹风比下多凹槽叶顶表面的气膜冷却有效度分布，并采用经过校核的数值方法辅助分析了叶顶间隙内的流场结构及其气动性能。结果发现：多凹槽叶顶内的肋片改变了叶顶的流场结构，阻挡了冷气向下游发展。相比于传统的单凹槽叶顶，四凹槽叶顶在吹风比较大时能够提高叶顶中部的冷却效果，但在叶顶中后部依旧是单凹槽叶顶的冷却效果最好。同时，多凹槽叶顶能够显著降低叶栅的气动损失，相比于传统的单凹槽叶顶，二凹槽、四凹槽叶顶总压损失系数值分别降低了17.9%、20.9%。     

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．     

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。     

叶顶间隙及掠改型对混流喷泵的影响

以混流式喷水推进泵作为研究对象,采用三维雷诺平均N-S方程和S-A湍流模型进行CFD模拟,研究不同叶顶间隙下喷泵的性能和流场损失状况,进而做动叶掠改型以期改善对叶顶间隙流动.结果显示:叶顶间隙的存在有助于沟通压力面与吸力面压差,减少动叶出口回流.对于所研究的喷水推进混流泵,在0~0.6 mm小叶顶间隙时,效率随间隙增大而升高,而间隙过大会使泄漏损失增加,最优间隙为0.6 mm.对动叶进行的掠改型发现,前掠会使压力面前缘的损失略有提高,但叶片整体损失下降;从吸力面来看,前掠有助于减小叶顶泄漏损失,+5°掠全工况的效率均有提高,并获得较为平稳的功率曲线.     

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。     

凹坑尺寸大小对二维扩压叶栅损失特性影响的数值研究

采用CFD数值模拟方法对某压气机静叶叶栅气动性能进行研究.在吸力面布置不同尺寸的凹坑,将深径比为0.25,球体半径分别为0.4、0.5、0.6、0.7 mm的凹坑布置在55%～78%弦长位置,球状凹坑可以通过提高边界层内的湍动能水平使得附面层抵抗分离能力变强,从而抑制并延缓附面层分离,减小分离后的反流区域面积,有效减小矩形叶栅中径处的尾迹损失,改善流场.结果表明,球体半径为0.5mm的凹坑效果较好,能够使叶栅出口总压损失降低17.63%.     

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。     

中弧线参数化曲线形式对压气机叶栅性能的影响

不同形式的参数化曲线由于曲率特征不同,使得构造的压气机二维叶型几何存在差异,进而影响压气机叶片气动性能。本文针对二维叶型MAN GHH 1-S1,分别采用贝塞尔曲线、多项式曲线、曲率积分曲线构造叶型中弧线,并通过数值模拟,讨论中弧线参数化曲线形式对叶栅性能的影响规律。研究结果表明,曲率积分方案的改型叶栅能有效降低各攻角工况的叶型损失,并且拓宽攻角适应性范围。