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。

基于射流技术的涡轮叶尖泄漏流损失控制数值研究

利用CFD数值模拟方法研究了GE-E^3第一级高压涡轮的端区流场。针对间隙泄漏流流场损失,采用叶尖射流的主动控制方法,分析和比较了由此对端区流场及涡轮效率的影响。结果表明:在涡轮动叶叶尖采用合适的射流孔、射流流量或射流角度,可有效提高涡轮效率;涡轮端区流场对射流孔位置变化最为敏感,射流流量次之,而射流角度变化的作用有限;采用多孔射流方案时,涡轮效率最大可提高0.7%;采用叶尖射流主动控制的最终效果,取决于射流带来的正面作用与负面影响。

轴流压气机转子叶尖泄漏流行为的数值研究

为了加深对某高速小尺寸轴流压气机转子的叶尖泄漏流行为的理解,采用定常数值计算的方法对其内部流场进行了全三维的数值模拟。计算结果表明:峰值效率工况下,叶尖泄漏涡集中且稳定,而近失速工况下,叶尖泄漏涡在通道中发生破碎,破碎后泄漏流的速度剧减,形成巨大的低能团,严重堵塞顶部通道。低能流体团压缩叶尖泄漏流的流动空间,迫使叶尖泄漏流溢出叶片前缘平面,导致转子突尖型失速先兆发生。进一步详细分析叶尖泄漏流的结构发现,叶尖泄漏流与来流的交界面随流量减小而向上游移动,并受叶尖泄漏涡破碎、前部弦长范围叶尖间隙两侧压差增加及逆压梯度增强的共同影响。

串列叶栅和叶片弯曲对角区失速和叶尖泄漏流的耦合作用

为了提高压气机叶栅的气动性能,本文针对高负荷串列叶栅进行数值模拟,研究了叶片正弯和串列叶栅对角区失速和叶尖泄漏流的耦合作用。结果表明,在串列叶栅前叶排存在比较严重的角区失速,叶片正弯能有效控制高负荷串列叶栅中的角区失速,在最优工况叶栅总损失降低了37.6%。串列叶栅中只有"前排叶片弯曲"的方案能取得与"两排叶片都弯曲"方案相似的控制效果,但由于"两排叶片都弯曲"方案对两排叶片都有控制作用,从而获得了更低的总压损失。叶尖泄漏流可以有效控制上端壁处的角区失速,同时也会带来泄漏流损失。叶尖间隙越大,叶栅的总压损失越小,叶栅中涡结构也会越复杂。大间隙下,叶尖泄漏涡和通道涡的位置与一般压气机叶栅不同,两排叶片各自生成的泄漏涡会在叶栅后汇聚成一个涡,通道涡由叶栅中的低能流体与一部分泄漏流组成。弯曲叶片主要作用是控制角区失速,对叶尖泄漏流的影响不明显。

机匣沟槽对微型轴流涡轮叶尖泄漏流动的影响

为了揭示机匣沟槽对微型涡轮叶尖泄漏流动的作用机制,本文通过对某微型涡喷发动机的单级轴流式涡轮进行机匣设计,研究了4%间隙比时不同机匣沟槽结构对其叶尖泄漏流动的影响。计算结果说明:当全机匣沟槽结构的沟槽深度大于叶尖间隙时,封严效果较好;相较于全机匣沟槽结构,后开式机匣沟槽结构的封严效果更好,且随着沟槽前缘间隙的增大,封严效果减弱。当台阶与叶片前缘的距离等于叶尖间隙时,封严效果最佳,即泄漏流明显减弱,同时效率减小量较小。

基于螺旋度改进的DDES-SA模型预测叶尖泄漏流动

基于Spalart-Allmaras(SA)湍流模型的延迟脱体涡模拟(Delayed Detached Eddy Simulation, DDES)方法作为一种经典的混合雷诺平均(RANS)–大涡模拟(LES)方法,已被广泛应用。然而,DDES-SA模型虽结合了RANS及LES方法的优点,但在叶轮机领域的实际应用中仍存在局限性,难以达到期望的预测精度。本研究引入螺旋度对传统的DDES-SA模型进行修正,通过螺旋度精准识别流向涡核,减弱涡核处过高的湍流黏性,从而显著提升DDES-SA模型对叶尖泄漏流动的预测能力。本文采用改进前后DDES-SA对简化的叶轮机转子叶尖泄漏流动进行了数值模拟,以大涡模拟结果为基准,评估了改进前后的DDES-SA方法对泄漏流动的预测性能。结果表明,基于螺旋度改进的DDES-SA方法预测值和LES结果更接近,并能提供更准确的涡核强度及非定常特性,显著提升了其对叶尖泄漏流的预测能力。

常用湍流模型对某低速轴流压气机转子叶尖泄漏流的预测研究

为了研究常用湍流模型对轴流压气机转子叶尖泄漏流的预测能力,对某低速轴流压气机进行了实验研究及数值模拟,对比分析了不同湍流模型预测的转子叶尖泄漏流的流场分布、旋涡特性以及堵塞特性与实验结果的异同。结果表明:对于转子叶尖泄漏流的旋涡特性,在近失速点,k-ω模型预测的转子叶尖泄漏涡轨迹的斜率和位置在周向上的分布以及泄漏涡涡核的面积与实验结果最接近;对于转子叶尖泄漏流堵塞特性,在堵塞系数达到峰值之前,BSL模型的预测结果与实验结果最相近,而在堵塞系数达到峰值之后k-ε模型的预测结果与实验结果最相近,虽然k-ω模型预测的堵塞系数在整个流向位置都偏高,但堵塞系数沿流向的分布规律与实验结果吻合最好。

不同DDES方法预测叶尖泄漏流动

叶尖泄漏流动对叶轮机性能有重要影响。混合RANS-LES方法作为一种兼顾准确性和计算成本的方法,已逐渐开始应用于预测叶轮机内复杂流动。延迟脱体涡模拟(Delayed Detached Eddy Simulation, DDES)是一种常用的混合RANS-LES方法,一定程度上结合了RANS及LES方法的优点。本文采用LES、DDES-SST、DDES-SA对课题组前期所提出的简化的叶轮机转子叶尖泄漏流动模型的泄漏流动进行了数值模拟,基于LES模拟结果,对比了两种DDES方法对泄漏流动的预测性能。对比结果表明,DDES-SA方法低估了叶尖泄漏涡强度,原因是其在涡核处生成了过大的湍流黏性;DDES-SST方法预测叶尖泄漏流动好于DDES-SA方法,其预测值和大涡模拟数据更为接近,但仍有较大的提升空间。

机匣造型设计对涡轮叶尖泄漏流损失的影响

针对带叶尖间隙的T106高负荷低压涡轮叶栅,基于耦合了Langtry-Menter转捩模型的Menters SST(shear stress transport)两方程模型,数值研究了涡轮叶片全机匣造型和部分机匣造型对叶尖泄漏损失的影响.计算结果表明:机匣造型设计的引入重新组织了叶尖区域内的涡系结构及损失成分,且这一改变明显受到机匣造型圆弧高度的影响;叶尖间隙内靠近压力面分离泡的展向尺度增大,分离泡形成的堵塞效应降低了叶尖泄漏流动能;而部分机匣造型处理可以缓解叶片通道内因局部扩张而引起的横向流动,使得出口展向损失减小区域进一步扩大,从而造成叶栅出口损失的明显下降;相对原始机匣,最大降幅可达6.1%.间隙敏感性分析表明,两种机匣造型在一定的间隙范围内能够有效降低叶尖泄漏流损失,而且部分机匣造型具有更宽的有效间隙范围和更大损失减小量.

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%。

叶尖泄漏流/尾迹掺混对串列转子非设计点性能影响

在串列转子设计中,为研究前后排叶片周向位置的变化所引起的泄漏流/尾迹之间掺混的变化对串列转子近失速点性能的影响,首先建立了泄漏流/尾迹掺混分析模型.模型分析结果指出流动掺混可以有效减小通道下游堵塞.在模型分析的基础上,进一步在高负荷串列转子中进行了不同周向位置的对比研究,对模型进行了验证;研究发现在近失速工况,对比无掺混情况,后排叶尖泄漏流/前排尾迹掺混使叶尖堵塞减少了近20%,从而使得高负荷串列转子的失速裕度相对提高了11.7%.

叶尖泄漏流和引射效应对跨声速串列转子失速机制的影响

为探究跨声速串列转子的失速机制,利用数值模拟的手段对不同间隙情况的某跨声速串列转子的叶尖流场进行分析.研究发现:前排二次泄漏区会对失速产生重要影响;叶尖泄漏流和引射效应是前排二次泄漏区流场结构的决定因素,而间隙大小直接影响着两者的强弱.当前排大间隙时,叶尖泄漏流强,是前排二次泄漏区流场的主导因素,这时失速首先发生在前排;当前排间隙减小时,引射效应增强,并逐渐成为主导因素,这时前排二次泄漏区的堵塞情况得到改善,失速区域转移到后排.改变前排间隙对该跨声速转子的性能有更显著的影响,当前排为最先失速排时,改变后排间隙对串列转子性能没有显著影响.

跨声速涡轮中两种叶片叶尖泄漏流的气动性能

采用数值模拟的方法,研究了跨声速涡轮叶栅中平面叶尖和双肋叶尖泄漏流的气动性能.平面叶尖比双肋叶尖的叶尖间隙内马赫数高,有反射激波结构;双肋叶尖的叶尖间隙内马赫数较低,没有形成明显的反射激波结构.平面叶尖和双肋叶尖的叶尖泄漏流质量流量分别为叶栅进口质量流量的3.87%和3.74%.平面叶尖的气动损失系数为0.079,双肋叶尖的气动损失系数为0.072.研究表明,双肋叶尖的气动性能要好于平面叶尖.

转子叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能影响机理分析

为研究转子不同叶尖间隙形状对跨声速轴流压气机性能的影响机理,分别对平行式叶尖间隙进行渐变式和阶梯式改型优化,并利用商业软件NUMECA进行数值模拟。结果表明:对平行式叶尖间隙进行渐变式和阶梯式改型优化后,压气机性能有较大提高,改型后0.204-0.408的各类间隙压气机性能优于0.408-0.204间隙的。相比较平行间隙PTC 0.204-0.204,渐变式TTC0.204-0.408和阶梯式STC 0.204-0.408的失速裕度分别提高1.12%和1.61%,峰值效率基本不变,同时近失速工况下的总压比和效率也略有提高。叶尖泄漏涡得到抑制,间隙处的流体低速区明显减小,流动损失减小,流场得到较大改善。转子通道的总压比在85%叶高处明显提高,分别提高了1.01%和3.13%。阶梯式叶尖间隙压气机的静子通道40%叶高处总压损失系数减小达75.4%。对平行式叶尖间隙进行改型处理能够有效提高压气机性能,且阶梯式叶尖间隙比渐变式的对压气机性能提高的效果更加显著。

端壁抽吸控制下攻角对压气机叶栅叶尖泄漏流动的影响

为减少叶尖泄漏损失并改善由泄漏涡造成的叶尖流道堵塞,对端壁流向开槽抽吸方案对扩压叶栅叶尖泄漏流动的控制效果进行了数值模拟研究,重点分析了来流攻角对流动控制效果的影响。结果表明:端壁抽吸方案通过直接影响叶尖泄漏流的发展,减弱泄漏涡强度,减小了泄漏损失;抽吸对负攻角和小攻角下叶栅流场的影响范围仅局限于叶尖区域。但在大的正攻角下,抽吸使得低叶展区域的附面层分离提前,且叶背分离涡脱落位置升高至约70%叶高处,端壁抽吸对叶栅的整体影响由泄漏损失降低和分离损失增大综合决定。抽吸量为0.7%时,抽吸后叶栅总体总压损失系数分别在-8°、0°和+4°攻角下降低约9.0%、10.8%和6.8%,而在+8°攻角下增大约5.7%。

叶尖泄漏流对压气机稳定性影响的数值分析

为研究叶尖泄漏流对稳定性的影响,发展了一种叶尖泄漏涡模型,并且在由课题组开发的TUSIAC(three dimensional and unsteady stall inception analysis code)程序中实现。该程序将转/静子叶排模化为三维激盘,并在无叶区求解三维非定常欧拉方程,黏性的影响通过特性曲线体现,因此对计算资源的要求较低。数值模拟的结果表明:在叶尖间隙的影响下,压气机的性能和稳定裕度均有所下降。叶尖间隙不改变失速先兆的类型,但使得失速团旋转速度加快,周向尺寸减小。所发展的叶尖涡模型能够预测叶尖间隙尺寸对压气机稳定边界与失速起始过程的影响,从而为在设计初期考虑压气机的气动稳定性、并且优化压气机设计,提供了一种较为实用的方法。

端壁运动对自发射流抑制叶尖泄漏影响的数值研究

通过数值手段分析了端壁运动对带有叶尖自发射流的叶栅流场特性、叶顶间隙泄漏流量特性及叶片周向载荷分布特性的影响。结果表明:端壁运动的反向刮削作用会显著影响间隙附近流场,随着端壁运动速度增大,泄漏涡和上通道涡会逐渐向叶片吸力面靠近,同时,泄漏涡强度逐渐削弱,而上通道涡强度逐渐增强,平均总压损失增大;端壁运动对叶尖自发射流抑制泄漏流的效果有放大作用;端壁运动会显著改变叶尖吸力面附近静压系数的分布,使其具有后加载的特性。

扩压叶栅叶尖流场影响因素分析

为实现对压气机叶尖区域流场的系统性认知,选取了对叶尖流场影响较为显著的3种因素,进行叶尖流场涡系结构和叶尖损失的影响研究。采用了数值模拟结合实验的方法对扩压叶栅叶尖流场的旋涡结构和引起的气动损失进行了详细的分析。研究结果表明:当叶尖间隙很小时,叶尖流场不存在叶尖泄漏涡;当叶尖间隙继续增加至最佳间隙(约0.4 mm)时,开始出现叶尖泄漏涡;随着马赫数的增加,叶尖泄漏涡越来越远离叶片吸力面表面,叶尖的掺混损失逐渐增大;进口马赫数的改变不会改变叶尖流场涡旋结构种类;上端壁的相对移动对减少叶栅内的气动损失是有益的。

压气机叶尖泄漏流动高精度计算模型研究

基于前期所提出的简化的压气机转子叶尖泄漏流动模型,研究泄漏流动中的主流/射流剪切机制和湍流机理。采用DNS方法研究了基于射流狭缝长度的Re=15000的泄漏模型流动。结果表明,低雷诺数下泄漏模型仍能产生类似真实泄漏流的旋涡结构和湍流特性。模型中的流动具有强非定常特性和大尺度旋涡结构,并对泄漏涡中的湍流结构具有重要影响,对该模型流动的研究能够加深对于泄漏流动的机理认识,发展更精确的湍流模型。

带叶尖自发射流的平面叶栅流场特性数值研究

通过数值求解三维定常黏性雷诺时均N-S方程,获得了叶尖单孔自发射流条件下的叶栅流场,分析了自发射流与泄漏流的相互作用,比较了有、无自发射流条件下叶尖泄漏及载荷分布,探讨了端壁相对运动速度对自发射流抑制泄漏流有效性的影响.结果表明:叶尖射流在其下游形成的扇形低速区占据了部分泄漏流通道,由此对泄漏流产生一定的抑制作用,同时对叶尖吸力面载荷分布产生影响;与无叶尖射流相比,当进口雷诺数同为5.764×105时,叶尖自发射流的存在使泄漏比相对值降低5.42%,单个叶片载荷增加1.41%.