设计状态下压气机转子叶尖泄漏涡流动研究

在低速大尺寸单级压气机实验台上,利用SPIV技术测量了设计状态下压气机转子尖区多个截面的三维瞬态速度场。基于瞬态场测量结果,详细阐述了设计状态下压气机转子叶尖泄漏涡产生、发展、失稳、破碎的演化过程,导致叶尖泄漏涡失稳的4种主要因素:主流的逆压梯度、哥氏力、端壁的剪切流动和来流湍流度的影响,分析了压气机内泄漏涡的失稳破碎机制,以及泄漏涡与主流的相互作用等。

压气机转子叶尖泄漏涡的SPIV测量研究

在低速大尺寸单级压气机实验台上,利用SPIV技术测量了设计状态和近失速状态下压气机转子尖区多个截面的 三维瞬态速度场。基于瞬态场测量结果,详细分析了设计状态和近失速状态下压气机转子叶尖泄漏涡产生、发展、失稳、 破碎的演化过程。

轴流压气机小流量状态转子叶尖泄漏涡的三维流动

用三维激光多普勒测速系统测量了低速大尺寸单级压气机小流量状态转子内尖区三维紊流流场。小流量状态下叶尖泄漏涡产生于更靠近转子叶片前缘，旋涡强度大，发展迅速，在转子内距离前缘约２０％轴向弦长的截面达到最强，在８０％轴向弦长附近发生破裂。泄漏涡是造成转子内尖区流动阻塞和紊流脉动的主要因素之一。在约７５％弦长的轴向截面，吸力面角区发生旋涡流动，造成较强的流动阻塞和紊流脉动。

轴向倾斜缝对压气机转子叶尖泄漏涡的非定常控制数值研究

为研究轴向倾斜缝对转子叶尖泄漏涡的非定常控制作用,采用瞬时叶片排数值模拟方法对带不同数量轴向倾斜缝的Rotor 67转子进行非定常数值模拟。结果表明,轴向倾斜缝能有效扩宽转子的稳定工作范围;轴向倾斜缝缝数应使其通过频率与预测的转子叶尖泄漏涡非定常脉动频率相近为宜;当加入轴向倾斜缝这一结构激励源后,叶尖泄漏涡不再表现出自身的脉动频率,而只以轴向倾斜缝的激励频率为主频进行脉动;在小流量工作区间,越接近失速点,轴向倾斜缝对于叶尖泄漏涡的控制作用越强,叶尖泄漏涡的压力脉动也越剧烈。

涡轮叶尖间隙泄漏流动主动控制数值模拟

结合基于压力修正的雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,对某一轴流涡轮转子采用叶尖间隙射流主动控制对泄漏流场的影响进行了数值模拟.结果表明:在涡轮叶尖表面选择合适射流孔位置进行射流可以提高涡轮转子效率,其中大间隙下通过射流孔组合射流可以提高涡轮效率0.35%,小间隙下可以提高0.3%;在射流孔区域靠近叶片表面处流场结构中鞍点数和结点数相等,满足奇点总数规律.

涡轮叶尖泄漏流被动控制数值模拟

结合基于密度修正的采用雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,通过在叶尖吸力面表面加肋条的被动控制方法以期减小叶尖间隙泄漏流动带来的损失,对某一轴流涡轮转子叶尖间隙泄漏流场的被动控制进行了数值模拟研究,并详细分析了在不同肋条高度下泄漏流场细节,最后计算了涡轮效率。结果表明,在涡轮叶尖表面沿吸力面边缘镶肋条对泄漏流动进行被动控制,相对于与其相对叶尖间隙高度相等的基本间隙流场,涡轮效率增大;肋条高度对涡轮效率有较大影响,相对等绝对叶尖间隙高度的基本流场,增大肋条高度可以提高涡轮效率。在叶尖间隙区域前半部,肋条对泄漏流动的阻挡作用使得在叶尖表面出现回流区,阻碍泄漏流动;在叶尖间隙区域后半部,回流区消失。

涡轮叶尖镶嵌肋条对泄漏流场的影响

结合基于压力修正的采用雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,通过沿着叶尖表面加肋条以期减小叶尖间隙泄漏损失,对某一轴流涡轮转子叶尖表面镶嵌肋条对泄漏流场细节的影响进行了数值研究,并详细分析了不同肋条高度和肋条宽度对泄漏流场的影响.结果表明:肋条使得气流通过压力面肋条时出现分离形成回流区,阻碍泄漏流动,减小泄漏损失;肋条高度h对涡轮效率有较大影响,且有个最佳肋条高度值,在最佳肋条高度下涡轮效率提高0.13%;肋条宽度w对流场影响不大,但小肋条宽度形成较大的空腔,可以稍提高涡轮效率.

一种改进的轴流涡轮叶尖对泄漏流影响的数值研究

结合基于压力修正的采用雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,通过改进涡轮叶尖表面结构以期减小叶尖间隙泄漏损失,即在传统叶尖边缘镶嵌肋条的基础上倾斜压力面肋条,对这种改进叶尖的某一轴流涡轮转子的泄漏流场进行了数值研究,并详细分析了不同肋条高度和肋条深度对泄漏流场的影响,最后计算了涡轮效率。结果表明:通过改进的涡轮叶尖对泄漏流动进行被动控制,压力面斜肋条可以阻碍泄漏流动,同时叶尖区域回流区也减小泄漏流动,从而涡轮效率提高;肋条高度对涡轮效率有较大影响,且有个最佳肋条高度值,在最佳肋条高度下涡轮效率提高0.215%;肋条深度对流场影响不大,但小肋条深度可以稍微提高涡轮效率。

涡轮叶尖压力边小翼肋条对泄漏流场的数值模拟

结合基于压力修正的采用雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,通过在叶尖压力面表面边缘加小翼肋条的被动控制方法以期减小叶尖间隙泄漏流动带来的损失,文章对某一轴流涡轮转子叶尖间隙泄漏流场的被动控制进行了数值模拟研究,并详细分析了在不同肋条宽度下泄漏流场细节,最后计算了涡轮效率;结果表明:涡轮叶尖单压力边小翼肋条总体上减小叶尖表面压差,使得吸力面后半部分泄漏流速度减小,从而减小泄漏流动损失,但会增大通道内流动损失,涡轮转子效率下降;小翼肋条宽度有一个最佳值,小间隙下增大肋条宽度使得效率减小,大间隙下肋条宽度增大却增大涡轮转子效率;压力边小翼肋条改变了叶尖压力边附近的流场,对吸力边附近泄漏流动结构没有大的影响。

跨声速压气机转子叶尖泄漏涡非定常特性数值研究

为了研究跨声速单转子压气机系统叶尖泄漏涡的非定常特性,选取Rotor 67孤立转子为研究对象,针对不同背压工况与不同转速工况进行了非定常数值模拟。结果表明:在每一转速状态都存在一非定常边界,其将特性线分为定常部分和非定常部分。当转子运行在特性线非定常部分时,随着背压提高,叶尖泄漏涡脉动频率逐渐减小。这是由于背压提高使叶尖前缘负荷变小,叶尖泄漏涡的驱动力也变小。叶尖泄漏涡的频率特征与转子转速息息相关。高转速状态时叶尖泄漏涡主要表现出低频特征,低转速状态时叶尖泄漏涡主要表现出高频特征。这是由于转速不同,叶尖激波的脱体程度不同,激波对于叶尖泄漏涡的激励位置也不同。由非定常叶尖泄漏涡引起的压力波的周向传播速度在各转速下表现出较强的规律性。随着流量系数的减小,压力波波速呈线性减小趋势,且各转速下减小的速率大致相同。且在波速-流量系数曲线中,各转速的非定常状态起始点基本位于同一条直线。

涡轮转子叶尖泄漏涡涡核稳定性及控制

以GE-E3第一级涡轮转子为研究对象,对转子叶尖泄漏涡涡核破碎特征和稳定性机理进行了分析和归纳。研究表明:叶尖泄漏涡涡核破碎的动力是离心不稳定性;发生失稳后,涡核区域迅速膨胀,形成低速的回流区;涡核的稳定性取决于螺旋因子和逆压梯度两个因素。然后,从涡核稳定性的角度开展了叶尖泄漏损失控制的研究,计算表明:叶尖叶型的负荷前移能够减少叶片尾缘附近间隙内的横向压力梯度;吸力面喉部位置以后型线拉直能够减少喉道后的扩压系数;通过这两个措施生成的新叶片能够有效地减弱叶尖泄漏涡,抑制涡核的不稳定性,减少叶尖泄漏流损失。

跨音速涡轮定常与非定常叶尖泄漏流机理分析

针对格拉兹大学单级跨音涡轮流场进行数值模拟并分析其叶尖泄漏涡结构与非定常影响机理。结果表明:泄漏涡于破碎前为类Rankine涡结构,破碎后卷吸入间隙流体,同时受涡核卷吸而围绕其运动的部分间隙流与主流掺混,形成高剪切流区域,形成类Sullivan涡结构的亚临界状态。非定常尾迹含有的流向涡量与叶尖泄漏涡-刮削涡涡对相互作用下,引起叶尖泄漏涡周向位置与尺度发生波动;跨音涡轮中非定常的动、静叶排位势场作用导致激波与波后静压场分别对泄漏涡的位置与尺度产生影响。在动、静叶栅距比为1.5时,尾迹与位势场的非定常作用同样重要,导致泄漏涡损失加大。未来设计高压涡轮需要考虑非定常的相互作用以控制叶尖泄漏损失。

涡轮叶尖间隙泄漏涡不稳定性分析

结合Rains间隙泄漏涡模型和长波不稳定性理论,应用高雷诺数k-ε湍流模型加壁面函数,基于压力修正的三维计算流体力学程序,对某一轴流涡轮平面叶栅叶尖间隙流场进行仿真,通过将叶尖间隙泄漏涡与其在机匣表面镜像形成的虚拟泄漏涡组合成一对泄漏涡,对涡轮叶尖间隙泄漏涡的不稳定性进行了分析,并计算了五个不同叶尖间隙高度下泄漏涡的最不稳定的波长及对应的频率。结果表明,利用长波不稳定性理论可以预测叶尖泄漏涡的不稳定性和最不稳定的波长及对应的频率,从而为采用合成射流控制方法去控制涡轮叶尖泄漏涡提供理论基础。

轴流风机叶尖泄漏流动的大涡模拟（英文）

本文采用大涡模拟(LES)的方法研究了在基于外壳直径的雷诺数为9.36×105条件下5叶片的轴流式风扇的流动特性,并且着重分析了叶尖泄漏的流动现象。本文使用了基于有限体积法和分层笛卡尔网格的可压流求解器进行数值计算,并应用了体积守恒的切割网格方法处理风扇几何结构的浸入式边界。同时开发了用于笛卡尔网格的旋转周期性边界条件,这样只需分析由2.5亿网格构造的包含一片叶片的72°区域。该研究首先对网格质量进行了分析,之后讨论了瞬态和时均流场的特性,并与使用RANS的5叶片模拟结果进行了对比。RANS和LES模拟结果的主要不同之处体现在叶尖泄漏涡尾流中的湍流动能。本文进而研究了叶尖间隙对叶尖泄漏涡的影响。研究表明,间隙的大小会影响叶尖泄漏涡的大小形状。此外,间隙中更多的分离现象和反向旋转涡会导致较低的湍流动能。

雷诺数对涡轮叶尖流场影响的数值研究

采用基于压力修正的三维计算流体力学程序,结合雷诺应力湍流模型和剪切应力传输湍流模型加壁面函数的方法,对某一轴流涡轮转子叶尖间隙流场进行了数值计算研究,详细计算了不同涡轮叶尖间隙高度和来流湍流度条件下雷诺数对涡轮转子间隙流场的影响,最后计算了转子效率。结果表明:当泄漏流流经叶尖时因为叶尖剪切力做功有块总压增大区;雷诺数带来的影响比湍流度和叶尖间隙高度带来的影响要大,湍流度的变化对流场影响不大;雷诺数对泄漏涡尺寸的影响不大,但低雷诺数会引起流动分离,带来损失,当雷诺数在文中的范围内变化时,效率下降近八个百分点。

近失速状态下压气机转子叶尖旋涡流动研究

在低速大尺寸单级压气机实验台上,利用SPIV技术测量了近失速状态下压气机转子尖区多个截面的三维瞬态速度场。基于瞬态场测量结果,详细阐述了近失速状态下压气机转子叶尖泄漏涡的演化过程和角区旋涡的形成过程。测量结果表明角区旋涡是一种总体意义上的旋涡,其涡核是由多个涡团组成的,形成角区旋涡的一个关键机制是压气机的旋转运动对源于近吸力面的正负涡量的涡团具有选择性。

轴流压气机时尖泄漏涡的时均流动

用三维激光多普勒测速系统测量研究低速大尺寸单级压气机设计状态转子内尖区流场．结果表明，泄漏流在气流一进入转子叶片通道就开始发生，发生于前半弦长，其诱导形成的泄漏涡约在30％弦长处达到最强，随后逐渐衰减，其涡核顺下游慢慢向压力面方向和低时高方向移动，涡核在转子出口移至通道中部．泄漏涡影响区域沿流向逐渐扩大，并向压力面方向和低叶高方向移动．设计状态叶尖泄漏涡在转子尖区流动中起主要作用，是造成尖部流动阻塞的主要因素．

径流涡轮叶尖间隙对叶片振动的影响研究

由于对高效、高响应性涡轮增压器的大量需求,径流涡轮叶片的高周疲劳已成为涡轮增压器损坏的最常见原因。叶尖间隙是主导叶尖泄漏涡演化的关键参数,并影响叶片表面的气动激振力,其对叶片振动的影响不可忽略。本文采用单向流固耦合数值方法,研究无叶径流涡轮叶尖间隙对叶片振动的影响。结果表明,叶片振幅随间隙增大成“V形”变化趋势。广义能量分析表明,“V形”趋势由压力谐波分量的幅值在叶片表面的分布所决定。流场分析进一步表明,压力谐波分量的幅值在叶片压力面和吸力面的分布均受叶尖泄漏涡影响,但两者的机理不同。

不同间隙大小轴流压气机转子叶尖泄漏非定常流动的DDES研究（英文）

叶尖泄漏流动对航空发动机的压气机性能有很大的影响,对其进行准确的数值模拟十分重要。延迟脱落涡模拟(DDES)方法在保证计算准确性的同时节省了计算资源。本文针对不同间隙大小和不同工况对大尺寸低速轴流压气机转子进行了DDES 模拟。将时均结果与瞬时结果进行了比较,分析了不同叶尖尺寸下流动的非定常性。然后利用LUMLEY 三角形分析了叶尖泄漏流动的雷诺应力各向异性。各向异性沿叶尖泄漏涡向下游发展方向变化。小间隙情况下各向异性较弱,这是由于小间隙情况下流动更加稳定。最后,利用快速傅里叶变换(FFT)分析了泄漏涡核心的速度脉动频谱,讨论了泄漏流动的非定常性。

叶尖间隙效应对跨声速压气机性能影响的研究

为了研究叶尖间隙效应对跨声速转子性能的影响机制,以一跨声速级轴流压气机为对象,采用商用软件NUMECA进行三维定常数值求解。结果表明:随着叶尖间隙的增加,峰值效率下降,堵塞流量减小,当叶尖间隙大于0.5τ(τ代表设计间隙)时,峰值效率敏感度曲线与叶尖间隙呈线性关系;综合考虑喘振裕度和峰值效率,该压气机存在最佳叶尖间隙0.5τ,此时的峰值效率和喘振裕度较设计间隙下分别提高约0.22%和3.1%。根据流动特点的不同可以将整个叶尖弦长范围内的叶尖泄漏流分为三个部分,分别为主泄漏区、二次泄漏区和普通泄漏区,且每个泄漏区在叶尖流动结构中的作用各不相同。不同叶尖间隙下压气机的失速过程的主导因素会发生改变。