基于刷丝束叉排管束模型的透平机械刷式密封泄漏流动特性和封严机理研究

【目的】为获得刷式密封的精细化泄漏流动特性,并揭示其封严机理,建立基于刷丝束叉排管束模型的刷式密封泄漏流动特性数学模型。【方法】数值求解三维雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程和剪切应力输运(shear stress transport,SST) k-ω湍流模型,研究刷式密封泄漏量和刷丝束间隙的流动特性。数值模拟获得的泄漏量和压力分布与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。获得了4种压比和转速下的刷式密封泄漏量和刷丝束间的泄漏流动曲线。【结果】随着进出口总静压比的增大,刷丝束内部开始出现细小漩涡并逐渐发展,对泄漏流的阻碍作用变大,刷式密封泄漏量增大的趋势逐渐减缓,最后一排刷丝承受的压差占比从13.1%增加至26.3%。【结论】在所研究的转速范围内,转速对刷式密封的泄漏量的影响可以忽略。压比不同时,泄漏流在末排刷丝与后夹板间隙处的径向流动与围栏高度处轴向流动强度存在差异,导致后夹板下方涡系结构不同,通过刷丝束间精细化泄漏流动分析,揭示了刷式密封的封严机理。研究结果可为三维叉排管束模型在刷式密封泄漏流动研究中的应用提供参考。

叶轮顶部间隙对向心透平总体性能影响的研究

对微型燃机向心透平叶轮顶部间隙流动在级环境下进行了全三维粘性数值模拟．研究结果表明:顶部间隙小于 2％时,间隙每增加1％,级效率降低1．5％,而级通流能力有所降低;径向与轴向间隙变化对级性能影响有很大差别, 径向间隙增加对级效率降低的影响是轴向间隙增加的8．3倍,径向间隙增加使通流能力增强的程度是轴向间隙增加使通流能力减弱的4．2倍。此外,将间隙流场与文献报道试验结果进行了比较,差别主要在工作轮顶部区域。

叶轮机械叶栅多目标多学科设计优化算法

提出了基于多目标寻优的叶轮机械叶栅多学科设计优化算法,方法包括:采用并行多目标差分进化算法作为优化求解器来搜寻叶栅多学科设计优化问题的Pareto解集,采用非均匀B样条方法对叶片型面进行参数化处理,通过求解Reynolds-Avergaed Navier-Stokes方程评估叶片的气动性能,耦合气动计算得到的叶片表面压力,应用有限元分析方法预测叶片的强度性能.为证明本文方法的实用性,选择叶片的等熵效率和叶片应力为目标函数,完成了NASA Rotor37转子叶栅的多学科设计优化,结果表明本文提出的多学科设计优化算法具有良好的优化性能。

径流式涡轮前、后弯叶轮特性的数值分析和试验研究

研究了车用增压器径流式涡轮的前弯和后弯叶轮的特性，以揭示叶轮进口不同型线对其内流特性及涡轮变工况性能的影响。文中给出了应用时间推进全三元Euler解方法得到的叶轮内部流场以及在径流式涡轮试验台上测得的级性能参数，同时对不同叶轮的数值分析和试验研究结果进行了讨论和比较。

透平机械高负荷叶片和大焓降级的研究进展

高负荷叶片和大焓降级的设计和应用可以有效地减少透平机械通流部分的级数和叶片只数,从而在保证气动效率和安全可靠条件下,有效地降低产品的开发设计制造成本,提高透平机械产品的竞争力。对透平机械高负荷叶片的研发和应用现状进行了综述,详细介绍了高负荷叶片的气动设计和气动性能的影响因素。结合燃气轮机大焓降级的特点,综述了高负荷叶片和大焓降级的型线设计和性能研究以及在汽轮机通流设计中的应用。论文最后对高负荷叶片和大焓降级在汽轮机通流设计中的应用前景和工作重点进行了展望。

轴流透平机械通流部分泄漏流动及控制技术研究进展

综述了轴流透平机械通流部分泄漏流动及控制技术的研究进展,首先详细介绍了轴流透平机械特别是汽轮机通流部分的泄漏流动特性及其对通流效率的影响,接着介绍了透平机械动叶顶部间隙泄漏流动特性及其对透平级气动性能的影响的研究,讨论了考虑间隙泄漏流动对某四级工业汽轮机气动性能的影响,研究了某汽轮机高压缸平衡孔对透平级气动性能的影响及其作用机制。论文简介了透平机械流动控制技术及其研究进展,最后给出了对透平机械泄漏流动及控制技术的研究展望。

采用叉排管束模型的刷式密封刷丝束变形特性研究

采用刷式密封三维叉排管束泄漏流动数值模拟与有限元分析模型相结合的流固耦合方法,研究了刷丝束在气动载荷作用下的变形特性。通过数值求解三维雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程组和SSTk-ω湍流模型,获得了刷丝束气动载荷,刷丝束有限元接触模型综合考虑了刷丝束内部存在的摩擦接触力。研究表明:随着压比的增大(1.5~3.0),刷式密封泄漏流量系数增大的趋势逐渐减缓,第5~9排刷丝承受压差占比从60%增长至70%,转速对刷式密封泄漏流场影响微弱。刷丝所受周向和径向气流力大小相当,二者合力方向与刷丝垂直,轴向气流力则是周向、径向气流力的13.6~18倍。较大轴向气流力使刷丝在围栏高度区域向下游发生轴向弯曲,压比为1.5、2.0、2.5和3.0时,刷丝束最大轴向变形量分别为0.077、0.096、0.114和0.130mm。较小周向、径向力以及后排刷丝与后夹板之间较大摩擦接触力,使刷丝周向和径向变形量很小。刷丝束所受轴向气流力与法向气流力的比值可用于分析刷丝周向变形滑移。所建立的基于刷式密封叉排管束模型的流固耦合方法为分析刷丝束变形特性提供了研究途径。

掺氢天然气干气密封启动特性研究

为评估天然气掺氢对管线压缩机轴端干气密封性能的影响,提出一种考虑阻塞效应的干气密封性能数值预测模型,分析了不同掺氢比下干气密封的静态特性和启动特性。首先,采用空气介质螺旋槽干气密封的气膜压力分布和开启力实验数据,验证了数值模型的可靠性;然后,针对GE PCL800机型天然气管线压缩机螺旋槽干气密封,分析了4种掺氢比(H 2体积分数分别为0、10%、20%、30%)和5种进口压力(4、6、8、10、12 MPa)对干气密封开启力、泄漏量和气膜刚度等静态特性的影响规律;最后,分析了4种掺氢比和5种进口压力下,转速、进口压力、平衡比和弹簧比压对干气密封启动特性的影响规律。研究结果表明:所提出的干气密封性能数值预测模型能够可靠预测高压差下干气密封出口阻塞效应及其对密封性能的影响;掺氢比对干气密封开启力、泄漏量和气膜刚度等密封静态特性影响较小;干气密封开启临界转速随掺氢比的增加而增大(掺氢比增加30%时,开启临界转速增大8.51%~16.90%),因此天然气掺氢增大了干气密封的开启难度,需设计合适的平衡比和弹簧比压以保证干气密封顺利开启。该研究结果可为掺氢条件下天然气管线压缩机轴端干气密封的高效设计和可靠运行提供理论参考。

进口防旋板对汽轮机交错齿迷宫密封泄漏特性和动力学特性影响研究

为提高汽轮机高压缸和中压缸之间过桥汽封的气流激振动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳,针对交错齿迷宫密封,开展了进口防旋板结构方案设计和动力学性能评估研究。首先,建立了具有“虚拟旁路边界”的交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的非定常计算流体动力学(CFD)摄动数值方法,对比分析了进口预旋(预旋比为0、0.3、0.5)对无防旋板结构的迷宫密封的动力特性系数的影响规律;最后,详细评估了不同进口防旋板结构方案的止旋抑振性能,比较分析了防旋板倾角和数量对迷宫密封的泄漏量、动力特性系数和周向旋流比分布的影响规律。研究结果表明:迷宫密封泄漏量对防旋板倾角和数量变化不敏感(泄漏量变化小于0.5%);进口预旋会导致迷宫密封交叉刚度和有效阻尼穿越频率增大、有效阻尼减小,易诱发轴系失稳;进口防旋板能够显著减小迷宫密封的交叉刚度(约为53%)和有效阻尼穿越频率(约为24 Hz)、增大有效阻尼,使密封泄漏量略有增加(约为4.5%);相较于直防旋板,45°倾角斜防旋板使密封交叉刚度进一步降低约14%,有效阻尼穿越频率变化较小;当防旋板数由36增加到72时,密封交叉刚度降低约24%,有效阻尼穿越频率减小约5 Hz;而当防旋板数由72增加到144时,密封的转子动力特性对防旋板数变化不敏感;综合考虑加工成本和止旋抑振性能,具有72个直防旋板的迷宫密封进口防旋板结构方案最优。研究结果可为交错齿迷宫密封防旋板设计提供参考。

涡轮动叶肋条布局的凹槽状叶顶气膜冷却效率和气热性能研究

针对涡轮动叶凹槽状叶顶近压力侧气膜冷却设计的结构,设计了2条全肋条、1条全肋条和1条压力侧尾缘半肋条与1条吸力侧尾缘半肋条的3种凹槽状叶顶肋条布局设计。采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和标准k-ω湍流模型研究了肋条布局的凹槽状叶顶气膜冷却效率和气热性能,研究了4种吹风比下2条全肋条布局的凹槽状叶顶的传热冷却性能。在吹风比为1.0时,对比分析了典型凹槽状叶顶和3种肋条布局凹槽状叶顶的气动传热特性和气膜冷却效率。结果表明:数值预测的叶顶传热系数分布与实验测量结果吻合良好,验证了数值方法的可靠性;吹风比1.0时,全肋条凹槽状叶顶具有最高的平均气膜冷却效率;全肋条布局凹槽状叶顶具有最高的平均气膜冷却效率;相比于典型凹槽状叶顶,全肋条布局凹槽状叶顶能够使气膜冷却效率提高2.2%;压力侧半肋条布局的凹槽状叶顶具有最低的平均传热系数和总压损失系数;肋条布局通过调控叶顶涡系与冷气的迁移路径而显著改变了凹槽状叶顶的流场结构,进而影响气热性能和气膜冷却效率;全肋条布局的动叶凹槽状叶顶具有最佳的综合气热性能和气膜冷却效率。

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。

透平双重径向轮缘密封非定常燃气入侵特性研究

针对燃气入侵导致部件热疲劳和涡轮气热性能降低问题,提出了一种双重径向轮缘密封结构。采用数值求解三维非定常雷诺平均湍流模型(URANS)和SST k-ω湍流模型的方法,研究了4种封严冷气量下双重径向轮缘密封的时均封严效率和非定常流动特性,对燃气入侵和冷气出流特性进行了分析。研究表明:所提结构的内腔可以达到封严状态,外腔时均封严效率随封严冷气量的增加而增加;密封间隙内的非定常流动特性受较大Kelvin-Helmholtz不稳定旋涡影响,高温燃气直接冲击转盘壁面的过渡圆弧结构,并在该位置与冷气掺混形成顺时针旋涡阻止冷气出流,呈现左侧封严效率的高封严效率区和右侧的低封严效率区;受高动量封严冷气作用,入侵燃气向静盘侧偏移形成大尺度逆时针旋涡,进一步阻止燃气入侵。封严冷气流出后沿动叶端壁向下游流动,同时受叶栅通道旋涡卷吸作用逐渐脱离壁面,使得对端壁的冷却效果降低,在动叶尾缘处冷却效率降低至0.03以下。该研究为燃气透平双重径向轮缘密封的非定常燃气入侵和封严机理,以及封严冷气对下游端壁影响的研究提供了一定的参考。

孔的排布方式对孔型阻尼密封泄漏特性和动力学性能影响研究

为揭示孔的排布方式对孔型阻尼密封性能的影响规律以及探究最佳排布方式,基于多频椭圆轨迹涡动模型非定常计算流体力学摄动数值方法,研究了不同孔径、孔排布方式下孔型阻尼密封的泄漏特性和动力学性能。采用孔型阻尼密封试件试验数据,验证了数值方法的可靠性和准确性,通过计算分析了不同孔径(3.175、12.268 mm)、孔排布方式(轴向顺排、周向顺排)、进口预旋(0、0.5)对孔型阻尼密封的泄漏量、动力特性系数和腔室动态压力的影响规律。数值结果表明:大孔径孔型阻尼密封动力学性能较优,具有较高的有效阻尼和较低的穿越频率,但封严性能较差,对应的泄漏量增加了6%~10%;小孔径孔型阻尼密封的泄漏特性和动力学性能对孔的排布方式不敏感,泄漏量偏差小于0.5%,动力特性系数偏差小于7%;对于大孔径孔型阻尼密封,采用周向顺排的方式可获得更好的封严性能以及更优的动力学性能,泄漏量可降低4%,有效阻尼的穿越频率也得到显著减小。该研究可为孔型阻尼密封的设计提供参考。

具有前置凸台防旋板的汽轮机交错齿迷宫密封动力学特性研究

为提高汽轮机多级轴端迷宫密封动力学性能,针对汽轮机两级轴端交错齿迷宫密封,开展了具有前置凸台的新型防旋板结构方案设计和止旋抑振性能评估。首先,针对两级轴端交错齿迷宫密封,设计了一级和两级传统防旋板、一级和两级前置凸台新型防旋板等动密封防旋板结构方案,并建立了具有“虚拟旁路边界”的有、无防旋板多级交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对多级动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的动密封气流激振动力学特性(CFD)摄动数值预测方法,对比分析了无防旋板、传统防旋板和新型前置凸台防旋板作用下,两级交错齿迷宫密封泄漏特性和气流激振动力学特性;最后,通过分析不同防旋板结构方案下,两级交错齿迷宫密封腔室旋流发展、腔室速度场和动态压力分布、转子面气流激振力,阐明了防旋板的止旋抑振机制。结果表明:无防旋板的迷宫密封具有最低的泄漏量,一级传统防旋板或一级前置凸台防旋板的设置会使密封齿数减少,导致密封泄漏量增加约4.5%;相比于一级防旋板,具有两级防旋板的迷宫密封泄漏量增加约5.5%;相比于传统防旋板,前置凸台防旋板可减小交叉刚度、增大有效阻尼;相比于一级防旋板,两级防旋板可减小高涡动频率下的交叉刚度、增大直接阻尼,进而提高密封的有效阻尼;在传统防旋板的基础上设置前置凸台可提升防旋板的止旋性能,且两级防旋板可有效抑制密封下游区域的旋流发展,能显著提升迷宫密封动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳。

基于遗传算法的汽轮机数字电液调节系统的参数辨识研究

调节系统性能的退化和故障的发生,首先表现在系统各个组成环节的参数的变化上,因此通过参数辨识可以实现汽轮机调节系统的性能预报、状态监测和故障诊断。文中在简要介绍遗传算法的基础上将其应用于汽轮机数字电液调节系统的参数辨识,给出了参数辨识的基本原理和数据处理方法。辨识结果表明,这种辨识算法具有计算速度快,精度高,程序通用性强等优点,通过合理选择误差函数,相对误差可以控制在1%以内,为汽轮机调节系统的参数辨识提供了一种有效的新方法,具有重要的工程使用价值。

迷宫密封泄漏特性的试验研究

为了研究迷宫密封泄漏特性,设计并搭建了旋转密封试验台,测量了典型迷宫密封在8种压比、5种转速、固定密封间隙下的泄漏量和密封腔室压力.通过数值模拟结果的对比分析,找出了压比、转速对迷宫密封泄漏特性和腔室压力的影响规律.研究结果表明:搭建的旋转密封试验台在迷宫密封泄漏量和密封腔室压力的测量精度上是可靠的;相比于试验结果,数值计算获得的泄漏量和腔室压力的最大相对误差分别为3.25%、3.6%,表明试验与数值结果吻合良好,数值方法可以较准确地预测迷宫密封的泄漏量和腔室压力;相同转速下的流量系数随着压比的提高而增大,小压比下的流量系数增加迅速;相同压比下的转速对流量系数的影响很小,可以忽略;迷宫密封腔室压力系数沿流动方向逐渐减小,密封腔室结构对压力系数影响很大.

两级刷式密封泄漏特性的实验与数值研究

基于刷式密封的泄漏量实验测试平台和Non-Darcian多孔介质方法的泄漏流动数值模型,详细研究了密封间隙、压比和转速对两级刷式密封泄漏流动特性的影响规律,分析了两级刷式密封的泄漏流动形态以及刷丝束表面的压力分布规律。结果表明:在相同的间隙和转速下,两级刷式密封的泄漏量随着压比的增加而增大;在相同的转速和压比下,两级刷式密封的泄漏量随着间隙的增加而增大;在相同的压比和间隙下,两级刷式密封的泄漏量随着转速的增加而减小。转子高速旋转时产生的离心伸长效应使密封间隙减小,因此数值计算时考虑转子的离心伸长效应对密封间隙的影响可以更加准确地预测两级刷式密封的泄漏量。

基于多孔介质模型的刷式密封泄漏流动特性研究

采用数值求解基于多孔介质模型的Reynolds-averaged Navier-Stokes方程技术,对刷式密封内泄漏流动特性进行了详细的数值研究.根据刷式密封的泄漏量试验数据,确定了刷丝束多孔介质的渗透率系数.利用所确定的渗透率系数,数值计算和分析了7种压比和5种径向间隙条件下的某轴端刷式密封的泄漏量和泄漏流动形态,并且与迷宫式密封进行了比较.结果表明:在相同的压比下,刷式密封的泄漏量小于迷宫式密封;压比影响刷式密封的泄漏量,但对泄漏流动形态的影响可以忽略;径向间隙不仅影响刷式密封的泄漏量,而且影响泄漏流动形态;在相同的径向间隙下,压比越大则泄漏量越大;在相同的压比条件下,径向间隙越小则泄漏量越小.研究工作可对刷式密封在汽轮机中的应用提供理论依据和技术参考.

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。

涡轮轮缘密封封严效率的数值研究

采用三维RANS方程组和SST湍流模型研究了涡轮轮缘密封的封严效率。以实验用模型透平航空发动机涡轮轮缘密封为对象,计算了轮缘密封封严效率,计算结果与实验结果吻合良好,从而验证了数值方法的可靠性。在8种冷却气流流量下,研究了3种不同动静叶轴向距离和轮缘密封轴向位置的封严效率的变化特性,结果表明:在所研究的轮缘密封结构下,随着动静叶轴向距离的增大,主流入侵流量降低,封严效率升高;动静叶轴向距离一定时,轮缘密封轴向位置越靠近静叶,则主流入侵流量越大,封严效率越低。