跨音速轴流压气机叶顶间隙泄漏流对微喷气的非定常响应机制和扩稳效果研究

本文将叶顶微喷气方法应用于NASA Rotor37跨音速轴流压气机转子,在近失速工况,利用数值模拟方法研究了不同喷气量时叶顶间隙泄漏流对微喷气的非定常响应机理和叶顶微喷气的扩稳效果。结果表明,喷气使得叶顶区域的叶表压力随喷嘴与叶片相对位置的变化沿弦向发生波动,抑制了叶顶泄漏流的自激非定常波动,使叶顶泄漏流轨迹沿叶片吸力面向下游移动,实现了提高压气机性能和稳定性的目的。采用喷射气流的无量纲总动量可关联亚音速和跨音速轴流压气机不同喷气方案的扩稳效果,该无量纲总动量与来流总动量和喷射气流高度成反比,而与叶高和喷射气流总动量成正比。

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。

汽轮机叶顶汽封泄漏流动的非定常数值研究

针对某带有叶顶汽封的300MW汽轮机高压第二压力级及其后相邻的静叶,采用三维非定常数值模拟的方法,研究了叶顶汽封间隙泄漏流的流场结构,叶顶汽封腔室内涡动的频谱特性以及叶顶泄漏流与主流掺混后的流场对下游静叶性能的影响。研究结果表明:叶顶汽封泄漏流动总体随时间呈现周期性波动,汽封间隙出、入口的波动最复杂、频率成分最多。叶顶汽封泄漏流的传播会在下级静叶通道内引起较大的流动损失,泄漏流体中存在径向速度分量,致使掺混后的低能流体逐渐向下级静叶的中叶展处发展,使下级静叶的流场结构发生了改变。

汽轮机叶顶间隙内非定常流动的数值分析

为了分析叶顶间隙泄漏涡的影响范围、运行轨迹和强度的变化规律,以某汽轮机高压级为研究对象,采用SSTk-ω湍流模型,应用PISO算法对叶顶间隙内的非定常流动进行了数值模拟.结果表明:叶顶间隙泄漏流是有规律的周期性的非定常流动,泄漏涡的影响范围、运行轨迹和强度随时间和叶顶间隙的变化而变化;泄漏流对主流的影响呈现出从弱到强、再从强到弱的周期性变化规律;叶顶间隙泄漏涡在T/4时刻的强度和影响范围均达到最大,在T/2时刻,静叶脱落涡和动叶吸力面前部的泄漏涡混合形成新的涡系,而动叶吸力面后部的泄漏涡却与其边界层的脱涡混合,离开吸力面.

周向槽调控轴流压气机非定常间隙泄漏流机理初探

以某压气机转子为载体,针对其顶部间隙泄漏流的非定常特性,设计了一种周向槽处理机匣,利用数值模拟的方法研究了其对压气机转子性能及顶部非定常间隙泄漏流动特性的影响,结果表明:该处理机匣的引入能够在不恶化压气机性能的前提下使得其流量裕度提高约6.5%。与实壁机匣结构相比,周向槽处理机匣减小了间隙泄漏流轴向动量,抑制了叶顶间隙泄漏流非定常性的出现,从而提高了压气机的稳定工作裕度。

考虑叶顶泄漏的透平级非定常气动性能研究

针对存在动叶顶部间隙泄漏流的一级半透平级非定常流场,应用全三维黏性非定常数值模拟方法详细研究了动叶顶部间隙泄漏流气动特性,旨在揭示泄漏流与下游静叶栅的非定常干涉作用.结果表明:动叶顶部间隙泄漏流引发第二列静叶前缘85%叶展位置处静压波动;受相邻叶排间势干涉作用,第二列静叶50%叶展位置处的静压波动集中于流道中部;在第二列静叶出口截面,动叶顶部泄漏流引发的泄漏涡,其强度及空间分布并未随时间发生明显变化;汽封内的泄漏流静压随时间周期性波动,压力值的更新首先出现于下游并朝向上游流发展.

某跨音速轴流压气机转子叶顶泄漏流的非定常特征

本文采用数值模拟方法研究了某跨音速轴流压气机转子在设计间隙、不同流量工况下叶顶泄漏流非定常流动特征。结果显示该转子在大部分工况下都出现非定常波动现象。静压均方根值分布表明非定常波动现象主要存在于叶顶,是由叶顶泄漏流自激非定常性引起,激波及波涡干涉位置附近波动不明显。针对小流量工况,分析了泄漏流的非定常特征和叶顶拟S1流面瞬态静压在一个波动周期内随时间的变化规律,并详细阐述了间隙中部叶顶两侧压差与泄漏流速度之间的动态循环过程。随流量减小,叶顶非定常波动频率减小,波动强度增强,压力面最强的波动区域向前缘移动。

不同叶顶间隙对斜流泵性能影响的数值分析

斜流泵具有高效,启动特性好,运行工况宽等特点。目前斜流泵设计时,无法定量评估叶顶间隙对性能影响的敏感性。为了揭示不同叶顶间隙值对斜流泵内部流场和性能的影响,给定叶顶间隙选取的范围。分别选取无叶顶间隙和叶顶间隙分别为0.5,1.0,1.5 mm共4种设计方案的斜流泵为对象,基于剪切压力传输模型(shear stress transport,SST k-ω)湍流模型,SIMPLEC算法与块结构化网格,对斜流泵内部流场进行数值模拟和试验验证。结果表明,叶顶间隙为0.5 mm时,可以有效抑制斜流泵的扬程-流量正斜率特性,此时斜流泵的效率值最高;无叶顶间隙时,斜流泵扬程-流量正斜率特性较为明显;叶顶间隙为1 mm时,数值模拟与试验结果吻合较好,SST k-ω模型可较好模拟斜流泵叶顶间隙区流动特征,性能预估结果具有一定的可信度。在小流量工况下,叶顶间隙为0.5 mm可有效抑制斜流泵的正斜率不稳定特性。小叶顶间隙0.5mm时,斜流泵水力性能最优;叶顶间隙增大时,叶顶泄漏流动逐渐显著,叶轮出口近壁区轴面流速和涡量分布规律显著变化,表明叶顶间隙直接影响叶轮轴面速度分布规律和叶片负荷分布规律,由于受壁面摩擦阻力和液体黏滞阻力的影响,叶轮轮毂和叶顶间隙侧的叶轮轴面速度较小;叶顶间隙增大时,叶轮轮毂和叶顶间隙侧叶片负荷急剧衰减,影响叶片的做功能力。同时,叶顶泄漏流动区域与叶片主流区域的掺混效应,使叶片轮缘的低速区扩展到叶轮流道内部的主流区域,引起叶轮流道内部主流流动的堵塞效应,产生二次流动、漩涡等流动不稳定现象。上述研究结果,揭示了叶顶间隙对斜流泵内部流场和性能的影响机理,为斜流泵叶顶间隙的选择提供了理论依据。

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。

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.

抑制叶顶间隙泄漏的叶轮机械叶片的流场模拟

根据叶顶间隙流对叶轮机械的性能有重要影响这一特性,设计了一种叶片。该叶片顶部带有"燕尾冠",在叶顶的压力侧和吸力侧都形成"倒钩"。通过对带有"燕尾冠"的叶片和一般的叶片的流场进行数值模拟,在同等条件下比较两者之间压气机的总体性能、流场特性以及叶顶间隙的泄漏量的区别,得到优化设计后的"燕尾冠"叶片能较好的保持住叶片表面的压力,削弱了叶顶间隙泄漏涡的产生和减少了通过叶顶间隙的泄漏量。数据结论为改进和提高叶轮机械的运转性能提供参考依据。

跨音速轴流压气机间隙泄漏流流动特性研究

间隙泄漏流对轴流压气机的旋转失速造成严重影响,通过对跨音速压气机NASA转子37进行单通道非定常及多通道非定常数值模拟,单通道非定常计算揭示,在近失速工况下,叶顶存在间隙泄漏流自身非定常性,并且比较了两个不同背压条件下的非定常模拟结果,当出口背压较大的情况下,间隙泄漏流非定常性很不稳定,而当出口背压较小时,泄漏流非定常性稳定;多通道非定常数值模拟结果显示,在近失速工况下,当出口背压较大的情况下,间隙泄漏流非定常振荡,触发突尖型旋转失速先兆,具体表现为叶尖前缘间隙泄漏流溢出,而当出口背压较小的情况下,间隙泄漏流非定常性始终较为稳定。

离心叶轮叶顶间隙泄漏流影响因素的量化分析研究

为了定量研究离心叶轮叶顶泄漏流的影响因素,在经典闭式Eckardt叶轮基础上等值切削得到了11个相对间隙值在0~10%区间的半开式叶轮。采用数值计算分析和量化分析相结合的方法研究了叶轮设计工况下的顶隙流场,量化得到与间隙泄漏有关的叶顶载荷、刮削压头和泄漏强度沿流向的分布值。在完成"刮削率"R的计算讨论后,对量化的结果进行了偏最小二乘法(PLS)分析,建立了泄漏强度与泄漏流主要影响因素的定量关系式。研究结果表明,R值沿叶片流向从2.3下降到0.25左右,说明轮盖刮削对间隙泄漏流的作用沿流向增强;叶顶载荷的变量投影重要性值([1,2])略大于刮削压头的变量投影重要性值([0.7,1]),且叶顶载荷的回归系数值([0.6,0.8])略大于刮削压头的回归系数值([0.4,0.6]),说明叶顶载荷对间隙泄漏流的促进作用大于刮削压头,但刮削压头对间隙泄漏流的影响不可忽略。

不同叶顶间隙下斜流泵内部流动特性的数值模拟

为研究轮缘叶顶间隙对斜流泵性能和流动不稳定特性的影响,基于SST k-ω湍流模型对某斜流泵选取了0,0.25,1.00,2.00 mm 4种尺寸的叶顶间隙进行数值计算,分析间隙区域内压差分布、泄漏量、叶顶泄漏涡旋强度以及进口轴面速度分布.结果表明:不同运行工况下,斜流泵泄漏量从叶轮进口到叶轮出口先增大后减小,其与间隙区内压差变化趋势相吻合.叶顶泄漏量随着间隙尺寸的增大而增大,导致泵的能量损失增大.经对比发现,间隙尺寸是影响叶顶泄漏量的主要因素.小流量工况下,随着叶顶间隙尺寸的增大,叶顶泄漏流与主流卷吸作用形成的泄漏涡强度逐渐增强.部分泄漏流进入相邻叶片通道,导致其流动失稳.随着叶顶间隙的增大,斜流泵能量损失明显增多,且内流不稳定性明显加剧.增大流量后,不同间隙下叶顶泄漏涡旋转强度均逐渐降低.

汽轮机扭叶片叶顶间隙泄漏流动的数值分析

针对某汽轮机中压级扭叶片进行数值研究,分析了不同叶顶间隙下扭叶片顶部的泄漏流动,并着重研究了扭叶片间隙涡的形成、发展和对汽轮机级性能的影响。研究结果表明:叶片的适当扭转,可使径向压力梯度变缓、根部的反动度增加、顶部的反动度减少,在一定程度上控制了泄漏流动的发展。扭叶片叶顶处的泄漏涡在叶栅通道中是以螺旋状向下游发展的,涡核的位置随流动逐渐远离吸力面。当叶顶间隙增大时,泄漏涡强度变大,并且与上通道涡的掺混作用增强,从而导致了更大的流动损失。

叶顶间隙对压入式矿用对旋主通风机叶顶区域流动性的影响

为了研究叶顶间隙对压入式矿用对旋主通风机叶顶区域流动的影响,分别针对2mm、3mm和4mm三种叶顶间隙下风机全流道内的非定常流动进行数值模拟。结果表明:随着叶顶间隙的增大,在峰值效率工况下,叶顶区域的熵损失显著增大,后级叶顶区域的流动损失明显高于前级;在近失速工况下,前级叶顶区域出现了前缘溢流、尾缘反流现象,前级叶顶区域的流动损失比后级更大。在较大的叶顶间隙下,前级前缘叶顶泄漏流形成松散的涡系结构,诱导叶顶间隙的中部和尾缘区域的泄漏流形成回流和二次泄漏,堵塞叶顶区域的通道入口,引起“突尖型”失速起始扰动的发生。

转子叶顶间隙值及改型对压气机性能影响的数值模拟

为了分析转子叶顶间隙值和改型对压气机性能的影响,以典型轴流跨声速压气机NASA stage 35为对象,对不同叶顶间隙值的压气机进行数值模拟。结果表明:叶顶间隙增大并且泄漏流强度提高,会导致脱体激波位置前移,转子吸力面激波作用位置后移,前缘溢流现象减弱,叶尖泄漏涡与激波作用增强,间隙区域涡量增加,靠近前缘的涡核向下游移动,但附面层与激波之间的作用减弱;不同叶顶间隙值的压气机失速机制不同,在小间隙下压气机失速是由叶尖泄漏涡和转子吸力面附面层分离共同作用引起的,在大间隙下压气机失速是由叶尖泄漏涡引起的;在研究的变化范围内,叶顶间隙值为0.50τ时,压气机性能最好,峰值效率和稳定裕度分别提高了0.16%和2.39%;将最优间隙改型成平行扩张式和正弦波间隙后,压气机性能提高,脱体激波后移,叶尖泄漏涡与激波作用程度减弱,转子吸力面附面层分离减弱,改型间隙能够减少叶片制作材料,减轻发动机质量。

液环泵叶片轴向叶顶凹槽间隙流场及其性能

为改善液环泵轴向叶顶间隙泄漏流场结构,提升液环泵水力性能,提出液环泵叶片轴向叶顶凹槽结构设计,以2BEA-203型液环泵为研究对象,采用数值模拟方法分析液环泵叶轮轴向间隙泄漏流动及其与主流的相互干扰作用,对比分析凹槽叶顶与平顶间隙泄漏流动及其性能.分析结果表明,液环泵内流动呈现复杂的三维结构,凹槽型叶顶间隙能够在一定范围内提升液环泵的效率及真空度,在大流量点0.07 kg/s时的吸入真空度相对平顶型叶片提升5.26%,其他各流量点真空度及效率也略有提升;凹槽型间隙除在凹槽内产生凹槽涡及凹槽角涡外,在叶片压力面叶顶处角涡及叶片吸力面后方的泄漏涡结构与叶片平顶型间隙基本相似.轴向叶顶压力面附近角涡及吸力面后方的泄漏涡强度由轮缘到轮毂逐渐增强,凹槽型轴向叶顶能够在一定程度上减弱角涡及泄漏涡量的分布;在气相分布区域,叶顶间隙泄漏涡强度明显高于液相分布区域.由于凹槽的缓冲作用,使得间隙内及叶片吸力面后方的泄漏流速、湍流强度及总压损失均有一定程度的减小,达到提升泵的吸入真空度和效率的目的.

跨声速压气机转子叶顶区域流场非定常计算和POD分析

采用时间精确求解法对跨声速轴流式压气机转子NASA Rotor35单流道进行了三维非定常数值模拟,研究了叶顶区域流场的时间非定常波动特性。将叶顶区域流场的非定常解作为快照,采用本征正交分解(POD)方法提取POD模态,进一步分析了叶顶近失速点流场的流动特性。结果表明:在近峰值效率点的大质量流量工况下,叶顶区域流场呈现出稳定性,基本不发生随时间波动的特性;在近失速点的小质量流量工况下,叶顶区域流场呈现周期性的波动特性,由激波与叶顶间隙泄漏涡形成的破碎、通道中部未形成泄漏涡的相邻叶片泄漏流流线以及来流一起形成的叶顶二次涡是叶顶非定常周期性波动形成的必要条件。