环形电极等离子体激励控制透平叶顶间隙泄漏流动研究

为探究等离子体激励对叶顶泄漏流动的影响,基于非对称阻挡介质放电等离子体激励的数值模型,提出了环形电极的阻挡介质放电等离子体激励模型。将等离子体激励产生的体积力耦合至雷诺平均Navier-Stokes (RANS)方程组的动量方程中,数值研究了3种等离子体激励电压(9、13、17 kV)和3种激励频率(8、10、12 kHz)的透平叶顶泄漏流动特征。结果表明:环形电极等离子体激励显著改变了叶顶间隙的压力分布,在叶顶间隙内部和叶顶的两侧诱导形成大尺寸涡系结构,阻碍压力侧的主流进入叶顶间隙,有效抑制了动叶叶顶泄漏流动;在激励频率一定时,随着激励电压的增加,叶顶泄漏流动引起的总压损失减弱,但过高的激励电压会造成额外的诱导涡损失;激励电压保持不变,激励频率的增大对叶顶间隙的高压区域无明显影响,而叶顶两侧的诱导涡得到增强并挤压相邻的通道涡,叶栅通道120%轴向弦长处截面的总压损失进一步降低,13 kV激励电压、12 kHz激励频率工况具有最低的总压损失系数,相比无等离子体激励降低了16.12%。研究阐明了等离子体激励电压与激励频率对透平叶顶区域流场以及叶栅气动性能的影响规律。

涡轮叶片间隙泄漏流干涉下气膜冷却的流动试验及数值模拟

气膜冷却是涡轮叶片的一种重要冷却手段。为了研究涡轮叶片的间隙泄漏对气膜冷却的影响机制与规律,采用GE-E3高压涡轮叶片开展PIV光学试验测量和非定常数值计算研究。分析不同气膜孔位置、雷诺数、吹风比等主要参数对气膜冷却流动的影响规律,发现间隙泄漏流干涉下不同位置气膜孔射流的流场效果差别较大;主流雷诺数在一定范围内对气膜孔射流的影响较小;吹风比的变化显著改变了气膜孔射流的横向发展和叶顶气膜孔射流的强度,使吸力侧泄漏涡存在远离叶片表面的趋势,同时一定程度上抑制了压力侧的泄漏流发展。

机电一体化轴流泵间隙泄漏流流动特性

为研究机电一体化轴流泵间隙泄漏流对泵内流场结构的影响规律及机制,该研究基于RNG k-ε湍流模型,利用ANSYS CFX仿真软件对该泵进行不同流量工况(1674~2510 m^(3)/h)的全流场瞬态数值模拟。具体分析该泵压力、湍动能和涡量场分布情况,研究转子摩擦损耗和泄漏量随流量变化的关系,并揭示径向速度和叶轮效率的变化规律,明确机电一体化轴流泵的泄漏流流动特性。研究结果表明:在额定工况(2092 m^(3)/h)下,机电一体化轴流泵电机转子外壁面的机械摩擦损耗扭矩占泵总扭矩的19.1%,且占比随流量的增加而增大;流体流经该泵电机定转子间隙并泄漏回流至叶轮入口,形成射流,使得叶轮入口轮缘位置存在明显的径向流动。该流动导致叶轮流道内径向系数为0.9~1.0的近轮缘位置出现高湍动能、强涡量区域,引起该区域水力损失增大,水力效率降低,且流量越小,影响越为显著。因此,机电一体化轴流泵节能设计的重点在于电机与叶轮协同设计,在满足水力性能的前提下尽可能降低转子摩擦损耗以及间隙泄漏流流动对叶轮进口流场结构的破坏。研究结果可为机电一体化轴流泵的研究及性能提升提供参考。

轮毂泄漏流对跨声速压气机转子性能影响的数值研究

为揭示转子前缘轮毂间隙泄漏流对高负荷压气机气动性能影响的物理机制,采用轮毂间隙边界条件模化处理方法,开展了轮毂泄漏流对跨声速压气机转子性能影响的三维定常数值模拟,分析了不同轮毂泄漏流量下压气机轮毂壁面流场结构与流态变化特征。研究结果表明:轮毂泄漏流会恶化压气机流通能力,影响程度随着泄漏量增加而逐渐增大。在近峰值效率工况下,当泄漏流量达到0.50%时,压气机流量约减小0.74%。当轮毂泄漏流达到一定强度后,反而呈现出部分正面效果,使得压气机压比或效率得到一定程度改善。轮毂泄漏流通过影响轮毂壁面流场结构空间分布来对压气机气动性能施加影响,尤其是鞍点的位置决定着轮毂间隙下游回流区和顺流区的影响范围以及轮毂壁面横向潜流强度。

周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究

为了验证周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的效果,本文在GE-E3高压涡轮第一级的机匣上引入周向单槽式机匣处理,通过数值模拟手段研究了周向单槽的轴向位置、槽宽和槽深对叶尖泄漏流调控的影响及周向单槽调控叶尖泄漏流的物理机制。结果表明:周向单槽的引入虽然会使叶尖泄漏涡尺寸变大,但会显著降低叶尖泄漏涡及机匣通道涡的强度,使得涡轮转子通道内流动总损失降低,涡轮级效率提高。在设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽,可以使涡轮转子通道内的流动损失相对减小9.10%,涡轮转子的效率提高0.40%,级效率提高0.85%。同时发现设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽结构,在非设计工况时也有良好的控制效果。

跨声速压气机泄漏流预测数值模拟

针对压气机试验过程中出现的一级转子前缘轮毂侧空腔泄漏问题,开展了基于多种封严篦齿以及封严空腔压力模型的数值模拟。结果表明,最大泄漏流量(供气端压力0.20MPa,齿端间隙1.00mm及篦齿数3的情况下)约为进口流量的1.8%,最高效率损失约为2.27%。封严篦齿两端封严腔的腔体效应对篦齿泄漏流量具有显著影响:随着篦齿封严齿端泄漏流量上升,齿端泄漏流速增大,泄漏流在出口腔体中呈射流状并迅速诱发腔体内的大尺度回流涡结构;泄漏至压气机的流量并不一定随篦齿齿端间隙的增大或封严两侧压力的上升而增加。

轴流压气机叶顶泄漏流与突尖先兆失稳机理的研究进展

首先回顾了近几十年来国际上在轴流压气机内部流动失稳机理方面具有代表性的研究成果,然后介绍了作者研究团队从叶顶泄漏流的视角研究压气机失稳机理所开展的主要工作,研究结果证实了叶顶泄漏流非定常性在低速亚声和高速跨声压气机转子中存在的普遍性,揭示了在节流直至失速工况过程中叶顶泄漏流的非定常波动和三维空间结构特征。主要表现为:(1)叶顶泄漏流由定常变为非定常波动,且非定常波动强度不断增强。(2)泄漏流与主流交界面的轴向位置不断向叶片前缘移动,最终溢出叶片通道,并诱发突尖失速先兆。这两方面特征的内在驱动力是节流过程中不断提高的泄漏流与主流轴向动量比。这些研究成果在发展主/被动扩稳技术和阐释扩稳机理研究中凸显出重要的应用价值。

涡轮叶尖迷宫式密封对泄漏流场影响的数值模拟

采用基于密度修正的三维计算流体力学程序,结合雷诺应力湍流模型加壁面函数的方法,对某一轴流涡轮转子叶尖迷宫式密封对泄漏流场的影响进行了数值研究,分析了全叶冠密封和部分叶冠密封中的泄漏流场,并详细研究了迷宫密封采用的锯齿状肋条数目对密封效果的影响,最后计算了转子效率。结果表明:涡轮叶尖表面加叶冠对进行密封,可以显著提高涡轮效率,全叶冠密封下涡轮效率提高1.15301%,部分叶冠密封涡轮效率增加0.54713%;迷宫密封中锯齿状肋条数有一个最佳值,且在此锯齿状肋条数下进行迷宫密封涡轮效率相对无锯齿状肋条增加0.1%。

离心泵内泄漏流计算及其对转子振动的影响

为研究泄漏流对离心泵转子振动特性的影响,建立了离心泵内泄漏流流场数值模型并对其可靠性进行了验证,验证基于加州理工学院RFTF装置试验结果,验证结果显示数值计算结果与试验结果吻合较好.通过在泄漏流流场与转子系统间进行数据传递,实现了流场模型与基于节点单元法建立的转子系统的耦合计算,得到了泄漏流流体力作用下的转子系统响应结果,结果显示泄漏流的存在明显提高了转子系统刚度并进而增加了其稳定性.该方法可以略去流体力环节从而直观了解到泄漏流道参数变化对转子系统振动特性的影响,对优化离心泵相关参数,提高转子系统稳定性具有重要意义.

汽轮机高低齿叶顶汽封泄漏流动的数值分析

以带有高低齿叶顶汽封的汽轮机高压第一压力级为研究对象,研究叶顶间隙和汽封齿数对叶顶泄漏量、叶顶间隙内和动叶出口的三维流线以及动叶出口熵增分布的影响,采用数值模拟方法进行三维定常流动计算.结果表明:随着叶顶间隙增加,叶顶泄漏量增加、动叶出口流线偏移加重、熵增的影响区域变大和掺混损失增加.随着叶顶汽封齿数增加,叶顶泄漏量减少、动叶出口流线偏移减轻、熵增变小以及掺混损失降低.叶顶泄漏流引起的掺混损失主要集中于动叶出口顶部7%的区域.

汽轮机叶顶间隙泄漏流结构及高损失区分布研究

对某带有高低齿汽封的汽轮机高压1.5级进行数值计算,分析了不同叶顶间隙下泄漏流在汽封和下游静叶流域内引起的高损失区分布规律,探究了泄漏损失的产生机理,并对级内黏性损失进行了区分和量化。结果表明：泄漏流在汽封腔内引起的黏性损失主要分布在齿下节流处和与汽封齿的撞击点处;下游静叶流域内泄漏涡并不直接引起损失,泄漏流与主流较大的速度差异是引起黏性耗散的主要原因。随着叶顶间隙增大,泄漏流具有更高的湍动能,与主流掺混引起更大的黏性耗散。上游静叶中黏性损失较小,静叶和动叶尾缘处的尾迹损失发生突增,下游静叶流域内的掺混损失约占级内黏性损失的1/3,且随叶顶间隙的增大而增大。

叶轮机械中的泄漏流与泄漏涡

本文基于非正交曲线坐标及非正交速度分量下完全守恒型的N-S方程,采用整体H型网格,用数值方法研究叶轮机械中的泄漏流动。对于不同的间隙尺寸,对于环壁静止与旋转的不同壁面条件,揭示了泄漏流与通道二次涡相互作用的细节,揭示了泄漏涡的生成与发展过程。

叶顶不同位置喷气对涡轮间隙泄漏流动的影响

为研究叶顶喷气位置对涡轮间隙泄漏流动的影响,在低速条件下用五孔探针对不同叶顶喷气位置和间隙大小的涡轮叶栅出口进行了详细的测量,并通过数值计算对叶顶间隙三维流场进行了对比,分析叶顶不同位置喷气对三维流场和损失的影响。结果表明:叶顶喷气对泄漏流动的影响随间隙尺寸增大逐渐减弱,小间隙时喷气明显抑制了泄漏流动动能,在降低因泄漏涡所引起损失的同时增加了因通道涡产生的损失,靠近吸力边喷气方案使得泄漏涡损失峰值下降达48.6%,而通道涡损失峰值增加10.4%;大间隙时泄漏流动动能较大,喷气对泄漏流动的影响较小;通过减小泄漏流动动能以削弱泄漏涡与通道涡的相互作用,控制较大三维流动分离的发生,可有效改善流道内间隙侧的流动。

周向弯曲低压轴流风机叶顶泄漏流动数值研究

本文采用数值模拟的方法,对三种带有周向弯曲叶片的低压轴流通风机(原型叶轮、周向前弯及后弯叶轮)的叶顶泄漏流动进行了研究。在数值计算与试验测量结果较为吻合的条件下,从流场和压力场等不同角度分析探讨了叶片周向弯曲后,叶顶泄漏流动和泄漏涡的形成和发展规律。数值计算结果表明,叶顶周向前弯加剧了泄漏涡与主流的掺混;周向后弯叶轮比前弯叶轮有助于减弱叶顶泄漏流动;强度大、衰减慢的泄漏涡,降低了叶顶的通流能力,同时与主流的掺混加剧也增大了叶轮的端部损失;此外,顶部间隙高度的增加,泄漏流动加强,旋涡的起始点更靠近叶片后缘。

汽轮机高压级叶顶间隙泄漏流的掺混作用分析

对某带有高低齿汽封的汽轮机高压1.5级模型进行数值计算,分析了不同叶顶间隙下汽封出口腔内泄漏流的涡系变化以及泄漏流与主流掺混对下游静叶气动性能的影响,并定量计算了泄漏流引起的相关损失。结果表明:泄漏流与主流在周向速度和径向速度上存在较大差异,二者掺混将导致动叶出口处汽流方向发生偏转,对下游静叶产生负攻角,引起级效率的下降。在泄漏流引起的相关损失中,掺混损失占主要部分。叶顶间隙的大小直接影响汽封腔内回流涡的尺寸,回流涡与汽封腔内泄漏流动能的耗散程度密切相关。因此,在叶顶汽封设计中,应尽量减小叶顶间隙,增强密封腔内汽流扰动,减小泄漏流与主流的速度差异,以便提高汽轮机经济性。

跨声速轴流压气机近失速状态的间隙泄漏流流动特性

为了研究间隙泄漏流以及泄漏涡自身的非定常性对轴流压气机的旋转失速的影响.对跨声速轴流压气机NASA转子37进行全三维定常、非定常的数值模拟,对比了最大效率和近失速工况的实验和数值模拟结果,定常计算所获得的总性能与试验结果符合良好.对于非定常计算,详细分析了NASA转子37近失速工况下流场结果,揭示了NASA转子37在近失速工况点,间隙泄漏流存在较明显的非定常性,这种非定常性表现为间隙泄漏流激波干涉引起间隙泄漏涡的周期性破碎.

离心泵泄漏流转子动力学特性分析

为研究泄漏流对离心泵转子振动特性的影响,以及计算由于离心泵前腔泄漏流作用在盖板上的不对称压力形成的涡动力,建立了离心泵前腔泄漏流模型,提出了一种研究离心泵前腔泄漏流诱导产生涡动力的数值计算方法。首先对离心泵进行全流场数值模拟,然后把其运算结果作为前泵腔单独数值模拟的初始条件,分析前腔流道内部流场的压力和速度矢量分布情况,并求出不同涡动频率比对应的法向和切向涡动力,最后运用最小二乘法对涡动力与涡动频率比之间的二次曲线进行拟合,求出全部6个转子动力学系数,结果表明数值模拟能较准确地计算出前腔泄漏流诱导产生的涡动力。

小流量下周向弯曲叶片叶顶泄漏流动的PIV研究

对带有周向前弯和周向后弯叶片的低压轴流风机,采用PIV技术测量小流量工况下叶顶区域瞬态速度场。基于小流量压力峰值工况下的瞬态测量结果,详细阐述了周向弯曲叶片叶顶泄漏涡的演化过程。结果表明:小流量压力峰值工况下,周向弯曲叶片叶顶泄漏涡存在瞬态特性,泄漏涡起源向前缘方向迁移,涡核在向下游发展的过程中不断破碎,沿端壁向通道中部迁移,并发生径向迁移;周向后弯叶片的泄漏涡较周向前弯叶片迁移明显,涡核破碎过程剧烈;周向前弯叶片有利于叶顶泄漏涡的控制。

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.

凹槽叶顶非定常间隙泄漏流动和传热的数值研究

应用数值方法研究了燃气透平中凹槽状叶顶非定常泄漏流动和传热问题。计算采用GE-E3发动机高压透平第一级动叶,叶顶间隙高度取1%叶高,叶顶凹槽深度取2%叶高。通过施加非定常边界条件模拟上游静叶尾迹,分析了非定常流动对动叶叶顶传热的影响。结果表明,叶顶附近的流场波动主要出现在叶顶前部及尾缘附近。叶顶凹槽底部传热系数变化主要出现在凹槽前部。定常计算获得的叶顶面积平均传热系数与非定常计算的时均结果相差很小。