涡轮叶栅冷气掺混数值模拟方法

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式、自由型曲面网格生成技术以及分区网格算法,对某型涡轮叶栅进行了任意数目冷气孔的薄膜冷却全三维N-S方程数值求解,较为详细的阐述了冷气掺混流场中卵型涡的发展规律。结果表明,本文所开发的求解系统能够较好的实现任意分区的流场求解,对涡轮叶栅中冷气喷射流场的描述是合理的。

考虑冷气掺混的涡轮气动性能数值研究

采用数值求解雷诺平均N-S方程的方法,数值模拟了带冷气掺混的涡轮内部全三维黏性流场,研究了冷气掺混对涡轮流动损失和气动性能的影响。数值计算结果表明,对于具有单排孔冷气入射的气膜冷却情况,当入射角是30°时,随着冷气流量增加,流动损失减小；而对于多排气膜孔冷气入射,各排气膜孔冷气之间的干扰是引起流动损失的主要原因,对不同位置冷气流量的优化选择,可以明显减小前后排冷气的掺混损失。为了降低冷气掺混的流动损失,基于数值实验的结果,本文首次引入了叶片表面气膜孔沿径向交错排列结构。

考虑冷气掺混的涡轮分层次气动优化设计体系

通过将优化理论引申到涡轮气动设计体系中,建立具有自动优化设计能力的燃气涡轮分层次优化设计体系,给出优化设计体系框图和计算系统的基本架构,分析了各层次优化设计解决的问题和解决问题的过程。为了实现三维多级优化,介绍了基于流场分析的局部优化策略和参数组群组合优化。为适应燃气轮机涡轮的气动设计,在这一体系中每一个程序都要考虑冷气掺混。实例表明,该设计体系下的设计过程快速高效。

冷气掺混对高压涡轮流场结构影响的数值分析

燃气涡轮发动机中的冷气与主流掺混会带来一定的气动损失,造成发动机总体性能下降。本文在三维N-S程序的基础上,引入一种较为简单的冷气射流计算模型,对一级高压涡轮含有冷气掺混的三维流场进行了数值分析,揭示了冷气掺混对导叶流量特性及损失分布的影响,并通过涡轮叶片排二次流动结构的分析初步探讨了冷气掺混损失机理。

涡轮冷气掺混数学模型的研究

本文建立了涡轮冷气掺混的数学模型,推导了考虑冷气掺混的气动热力学方程,并在非正交曲线坐标系下进行了展开,为计及冷气掺混的涡轮内流场的数值计算奠定了理论基础。

涡轮叶栅冷气掺混计算的数学模型与方法

讨论了目前涡轮叶栅冷气掺混的几种主要计算方法,提出采用多组分守恒方法求解油气比,从而进行变比热容和变气体常数的冷气掺混数值计算。

带冷气掺混的涡轮级三元流场分析

航空发动机向大幅度提高推重比和降低油耗的方向发展。涡轮进口温度在不断的提高。随着叶片热负荷的加大,冷却用气量也不断加大,最多已占到涡轮进口流量的 2 0 %左右。冷却气的喷射对高压涡轮级的三元流场会产生不可忽略的影响。在多叶片排三元N S方程并行解的基础上,采用冷却气射流源项模型。

考虑冷气掺混和采用复合倾斜叶栅的航空燃气涡轮准三维气动设计

采用准三维的计算方法，对一台两级航空燃气涡轮的低压导叶进行了改造设计，采用复合倾斜叶片以提高涡轮效率。对叶片倾斜和冷气掺混所引起的问题进行了处理和分析。

涡轮叶栅叶顶间隙冷气掺混数值模拟

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式计算方法,对一具有真实冷气孔形状的涡轮级叶顶间隙冷气掺混流场进行了全三维N-S方程数值模拟,分析了在1%和2%间隙下冷气射流与间隙流动相互作用的运动机理以及冷气射流对间隙和叶栅流场的影响。结果表明,冷气喷射使得泄漏流动速度降低,在小间隙下运动轨迹偏转以及气动参数的变化都非常明显,轮榖表面可以获得低温保护。在大间隙下叶顶表面获得更好的冷却效果。

带有冷气掺混的三级透平气动性能数值研究

借助NUMECA数值仿真软件,以某型燃气轮机的三级透平作为计算模型,对其在冷却气体掺混前后的流场进行了数值模拟。考虑到工质物性的影响,采用了变比热高温燃气作为计算工质。同时,针对燃气轮机透平进口的变工况问题,选取不同的透平进口总压值进行数值计算。结果表明,冷却气体的加入使得级损失增大,每列叶片流道出口速度或相对速度减小,下游叶片进口气流角减小;在三级透平冷气掺混时改变进口总压值,每列叶片流道的进口气流角几乎不变,除第三级动叶的激波损失与尾迹损失增大外,其余叶片流道的能量损失变化不明显。

影响冷气掺混数值模拟精度的若干问题分析

对冷气掺混数值模拟中的计算网格、湍流模型、射流边界条件等影响精度的若干问题进行分析。在吹风比0.5下,对不同网格分布、湍流模型、射流边界条件进行数值模拟,所得结果与Ajersch的实验结果进行对比。结果表明,出口下游的网格分布可适当稀疏以减少计算量;在所研究的几种湍流模型中,k-ε模型所得结果与实验结果吻合得最好;考虑射流通道内流动能提高精度,在射流出口给定流场分布也可保证计算结果的精度。

多级考虑冷气掺混流片变厚度的S_1流面研究

为减少气冷涡轮气动设计难度,提出一套基于多级气冷涡轮考虑冷气掺混及随流道翘曲、变厚度的S1流面计算思路,编制了带冷气的翘曲S1流面薄片计算的参数化方法程序及网格自动生成程序,改良了传统平面薄片,对比分析了改良后平面薄片、翘曲S1流面薄片以及三维计算间差异,对某高压涡轮进行了翘曲S1流面薄片气动优化.结果显示:与三维计算对比,改良后平面薄片最大流量差距为22.68%,翘曲S1流面薄片为3.58%,一维数据上翘曲S1流面薄片更逼近三维计算;型面压力分布及马赫数云图分布上翘曲面S1流面薄片较改良后平面薄片更贴近三维计算;采用翘曲S1流面薄片进行优化后,效率较原始方案提升0.41%,流量较原始方案仅增加0.21%.

涡轮导叶前缘多排孔冷气掺混数值模拟

针对某三维扭转冷却涡轮导叶在前缘开设3排冷却孔,冷却孔流向夹角均为90°,径向射流角分别为30°,60°和90°,分别采用点源项与真实孔射流两种方法对前缘冷却孔气动性能和冷却特性进行了对比研究,分析了点源项与真实孔冷气掺混机制以及不同径向射流角对叶栅通道流场和冷却特性的影响.结果表明:真实冷却孔射流对前缘附近约10%轴向弦长范围内的流动影响较大,冷却效果涵盖了整个导叶;点源项方法所得压力与非冷却涡轮很接近;冷气径向喷射角减小,真实孔模型导叶表面温度下降了8%～16%,而点源项模型导叶表面温度降低了21%～23%.在工程实际中不能将点源项法计算结果用作定量评估依据.

冷气掺混对高压涡轮气动性能影响的数值研究

采用数值方法研究了冷气掺混对高压涡轮气动性能和叶栅通道内部二次流动结构的影响,计算结果表明:冷气流量增加,冷却高压涡轮导叶和转子型面总载荷降低,导叶进、出口马赫数均减小,转子出口相对马赫数在径向0~0.55区域增大而在径向0.55~1.0区域减小.导叶进、出口气流角受冷气流量的变化影响较小.冷气流量由压气机进口流量的4.83%增加至14.49%,转子进口相对气流角在径向0.05~0.95区域增大而出口相对气流角在径向0.6~1.0区域减小,导叶绝热壁面冷却效率先升高后降低而转子绝热壁面冷却效率提高了19.33%.轮毂和机匣封严气呈束状进入转子叶栅通道且腔内封严气流动受旋转轮盘抽吸效应影响较大.

冷气掺混对涡轮叶栅气动性能影响试验研究

为分析冷气掺混对涡轮叶栅气动性能的影响,对某船用燃气轮机高压涡轮导叶开展了带冷气条件下的扇形叶栅吹风试验,结果表明:冷气掺混对叶片型面压力分布有较大影响,且在吸力面表现尤为突出;在冷气流量比小于7%工况下,叶栅能量损失较无冷气喷射时增加(<9%),甚至在Ma=1.05时能量损失较无冷气喷射时还小;当冷气流量比大于7%时,叶栅能量损失随冷气流量比的增大而迅速增加(最大可达26%);平均出口气流角随着出口马赫数的增加而增大,变化范围为17.7°～18.1°,且在同一工况下冷气喷射会使平均出口气流角增大。

考虑冷气组分扩散的气冷涡轮流场的数值模拟

推导了自然曲线坐标系下时间平均的多组分扩散方程,在原程序基础上增加了对冷气组分扩散方程的求解,以及多组分对比热和气体常数的影响。并对某型两级带冷气喷射的涡轮叶栅进行了全三维N-S方程数值求解。描述了考虑组分变化后的冷气浓度和气体常数在叶栅中的分布,所得比热、温度分布则与不考虑冷气浓度影响的计算结果进行了对比。结果表明,在冷气掺混数值计算中,冷气组分的影响有必要加以考虑。

冷气系统自动控制技术研究

某航空发动机涡轮试车台冷气系统流量采用人工手动调节方式,存在精度不高、稳定性较差及耗时过长等问题。为满足涡轮部件冷气掺混性能试验对冷气流量自动调节的需求,设计了一套冷气自动控制系统。文章介绍该系统的组成、算法控制逻辑和界面设计,并进行系统调试及试验验证。应用结果表明,阀门控制精度小于1%,调节时间低于60s,控制系统工作稳定可靠、人机界面友好、监控和安全保护措施完善,满足设计要求。

直升机排气系统红外抑制器的模型实验研究

对直升机排气系统红外抑制器进行了一系列的模型试验研究,旨在分析引射混合和遮挡隔热对降低目标红外辐射特征的作用机制和抑制效果,并对缩比模型的红外辐射相似关系进行探讨.结果表明: (1)引射冷气掺混具有降低排气温度和混合管壁面温度的双重作用,其降温效果在大引射流量比下非常显著;当遮挡间距大于 20mm,遮挡隔热可以使遮挡罩壁温接近于环境温度. (2)引射混合对总体红外辐射强度抑制约 85%;在此基础上进行隔热遮挡可以再抑制 10%. (3)在保持主流速度、温度和压力均相同的条件下,不同缩比模型的辐射亮度基本相当;红外辐射强度基本上与模型的几何模化比平方成正比.

提高气冷涡轮气热耦合计算精度的措施

温度场计算的准确性对气冷涡轮的设计影响极大.实际的气冷涡轮在运行状态下,存在多种物理现象:冷气带来的燃气组分变化、湍流、转捩、温度边界层的发展变化、热辐射等.而在数值计算中,计算结果也要受到网格质量的影响.采用自编程序、商业CFD软件对某两级气冷涡轮、C3X以及MARKⅡ叶片进行计算,分别描述冷气组分变化、计算网格、湍流模型以及转捩温度场模拟精度的影响;同时定性分析温度边界层复合性质与辐射换热对温度计算的影响.得出在气热耦合计算中,考虑上述因素的影响是很有必要的。

涡轮三维叶栅的气热耦合数值模拟

本文借助数值模拟技术分析了三维跨音速涡轮导向叶栅不同壁面边界条件对流场流动状况的影响,壁面边界分别采用绝热、等温、耦合换热三种条件。通过对计算结果的分析表明,不同叶片表面边界条件对流场温度场有很大影响,对流场内的压力场及其它参数也有明显影响,因此在气冷涡轮设计中使用多场耦合技术进行数值模拟是非常必要的。