某氦气涡轮弯叶片设计方法研究

氦气涡轮高负荷、低展弦比的特点,导致端区损失占总损失的比例较高,尤其是动叶端区损失径向发展尺度较大,甚至会堵塞主流流动。为优化某氦气涡轮气动性能和主流流动,采用数值模拟方法对动叶进行弯曲设计研究,分别对比了正弯、反弯、反J型设计方法,研究结果表明:此氦气涡轮采用反J型设计效果最佳,反弯其次,正弯最差。50%弯高、20°弯角的反J型设计为最佳设计点,不仅提高了涡轮级效率,优化了主流流动,增强了做功能力,而且有着更好的变工况特性,尤其在流量为1.5 kg/s的低工况点,效率较原设计提高2.3个百分点。

端弯联合弯叶片对叶栅旋涡结构和气动性能的影响

为了研究弯叶片弯角、端弯弯高和端弯弯角三个参数对扩压叶栅流道内的旋涡结构和气动性能所造成的影响大小和交互作用的主次顺序,以环形扩压叶栅为研究对象,通过正交试验设计的方法,对试验结果进行分析。结果表明,存在一个最佳弯叶片弯角以平衡集中脱落涡和壁角涡对叶栅出口总压损失分布的影响;弯叶片弯角的提高会导致壁角涡减弱并且涡核靠向端壁,集中脱落涡增强并且涡核靠向流道中部;旋涡结构的变化进而导致端部高损失区域损失减小并且靠向集中脱落涡涡核,流道中部损失增厚并且向中部收缩。端弯的弯高和弯角对角区的影响明显强于流道中部;壁角涡强度的提高导致端部损失的增加;集中脱落涡涡核向端壁移动,导致流道中部损失向端区扩散,但损失减小有限。

前弯叶片液力透平专用叶轮设计与实验

应用蜗壳内速度矩守恒的假设,推导了螺旋形蜗壳常数的计算表达式,得到了叶轮进口处的速度矩。采用无撞击进口、法向出口的液流工况,确定了叶轮的进出口安放角,设计了一前弯型叶片液力透平专用叶轮。设计了叶轮模型,进行了外特性实验。结果表明：对比原型泵作透平的实验结果,新设计的前弯型叶片液力透平专用叶轮显著提高了透平效率,最高效率由原来的59.98%提高到67.91%,最高效率提高了13.22%。采用专用叶轮的效率曲线较原型泵作透平的效率曲线平坦,在0.9-1.2倍最优工况运行区间,效率变化值在1.5%以内,高效区较宽。

进口附面层厚度对大转角弯叶片损失的影响

进口附面层厚度对大转角弯叶片损失的影响韩万今，吕红卫，芦文才，王仲奇（哈尔滨工业大学哈尔滨１５０００１）关键词：进口附面层，大转角，弯叶片叶片损失来源于两方面：一是进口附面层带来的“原”损失，二是绕流叶栅产生的新损失。二次流引起“原”损失重新分布，并...

进口附面层厚度对弯叶片扩压叶栅损失的影响

本文通过人工加厚叶栅进口附面层厚度，考察了叶搬进口附面层厚度对弯叶片扩压叶栅损失的影响．实验结果表明，进口附面层厚度增加时，叶栅两端区二次流增强，叶栅损失增大．采用正弯曲叶片在参考进口附面层状态和人工加厚附面层时均未得到叶栅损失的降低，而反弯曲叶栅损失的降低出现在参考进口附面层状态下．

正弯叶片降低叶栅内部损失的数值模拟

计算了直叶片及正弯叶片流场 ,计算结果表明叶片正弯曲在流道内 ,尤其是吸力面表面建立起“C”型静压分布 ,抑制了径向二次流动 ;而横向压力梯度的减弱将有利于减少横向流动损失。通过对涡量等值线的分析表明 ,正弯叶片栅中的马蹄涡及通道涡的尺度及强度均较直叶片中的小 ,而由能量损失系数分布图可知 。

后部加载叶型直叶片和弯叶片叶栅中能量损失变化的实验研究

在环形叶栅低速风洞上,详细测量了具有后部加载叶型的常规直叶片和弯扭叶片栅能量损失由栅前至栅后的发展。实验结果表明损失的增长主要发生在前缘和尾缘附近,提高此类叶栅流动效率的关键是前缘圆直径、尾缘逆压段长度与逆压梯度值的匹配以及沿叶高静压系数分布规律的选择。

基于转捩模型的吸附式压气机正弯叶片数值研究

采用三维数值方法研究了吸附式压气机扇形叶栅中正弯叶片的流场和气动性能,通过对比分析三种不同的孔式抽吸方案,以探讨附面层抽吸抑制三维流动分离、减小损失的机理。首先通过与前期实验数据的对比,校核了数值计算代码的可靠性,所得到的流场特性与实验数据有较好的一致性;其次通过在常规直叶片和正弯叶片中采用孔式附面层抽吸方法,以对比不同叶片积迭形式时附面层抽吸的效果,并探讨了通过改善抽吸设计方案提高抽吸效果的机理。结果表明,采用孔式抽吸可以较好地控制直、弯叶栅内的三维流动分离,抽吸后的吸力面气泡式分离消失,每个抽吸孔下游形成了新的基于抽吸孔特征的分离流动结构;抽吸策略的调整改善了角区的三维流动分离,尾迹旋涡的发展以及强度得到有效抑制。

掠弯叶片前缘曲线同流场结构的关联

在全三维反问题还不成熟的条件下 ,由二维反问题和三维正问题组成的准三维设计体系中 ,叶片的前缘是由给定的积迭轴和基元叶型特征决定 ,具有任意性 ,难于对其加以控制。因此本文试图把掠弯叶片的前缘空间曲线作为设计自由度 ,增加到设计体系中 ,实现设计中前缘空间曲线同流场结构的关联 ,利用前缘形状控制流场中的激波结构和二次流的迁移 ,改善流场结构。并以一个高负荷跨音单级风扇的气动设计为例 ,对这一改进进行了验证。

进口边界层对采用弯叶片的平面扩压静叶栅流场性能的影响

给定不同型式的进口边界层,在两种不同亚音速条件下对一平面扩压静叶栅的弯叶片流场进行了数值模拟。结果表明弯叶片对扩压叶栅的改善的能力受进口边界层的特征影响。这种影响分为两个方面:(1)边界层厚度的影响和(2)边界层动量损失厚度的影响。边界层越厚或动量损失厚度越大,在低马赫数条件下弯叶片对吸力面角区密流增加越明显,从而更大程度地提高了端区的流动性能,降低了叶栅损失。在高马赫数条件下,若边界层越厚或动量损失厚度越大,角区密流虽变化不大,但因端区损失较大,其性能的提高会给叶栅总性能的改善带来较大的收益。

采用弯叶片控制高负荷涡轮叶栅内附面层迁移的机理分析

对具有128.5°折转角的高负荷平面涡轮叶栅的内部流场进行了数值模拟。结合前期的实验结果,并利用拓扑学理论,详细分析了弯叶片对叶栅内附面层发展及旋涡运动的影响。结果表明,以通道涡为主的集中涡系在高负荷涡轮叶栅中部强烈掺混,使得中部的能量损失系数(0.56)明显高于端部(0.07),这是反弯叶片能改善此类叶栅整体气动性能的原因。对附面层迁移理论作了进一步讨论后指出,在高负荷涡轮叶栅内采用弯叶片减少二次流损失时应重点考察自由涡层的迁移。

环形扩压叶栅弯叶片对流场性能的影响

对比研究了直叶片叶栅与弯叶片叶栅吸力面角区和下端壁流场显示的不同表现,发现弯叶片对角区分离流结构影响较大,它对减小端区马蹄涡尺度和减弱横向二次流作用明显。将不同叶栅中三维流向涡(通道涡和集中脱落涡)沿流向截面内的位置与强度作为研究对象,细致地分析了在采用弯叶片前后涡位置和强度的变化,分析表明两种涡的位置受弯叶片影响较大;通道涡沿流向的强度变化受弯叶片影响较为明显,而集中脱落涡强度受弯叶片影响却很小。来流马赫数、叶型折转角和稠度在一定范围内对弯叶片作用有规律性影响:当马赫数为0.7时,最佳弯角弯叶片降低损失7%,而马赫数为0.2时,最佳弯角弯叶片降低损失仅4%。

在高负荷涡轮叶栅中应用弯叶片控制流动分离的实验研究

本文选择叶型折转角为113°和160°的两种高负荷涡轮平面叶栅,分别开展了直叶栅(STR)和正/反弯曲叶栅的流场测量和流动显示研究,讨论了叶片弯曲对壁面流谱和流动损失的影响。实验结果表明:当叶型折转角为113°时,适当的正弯叶片(DHP)可以减少叶栅流动损失;当叶型折转角为160°时,适当的反弯叶片(DHN)能提高叶栅气动性能。

进口总压径向畸变对扩压叶栅弯叶片流场性能的影响

为进一步探讨低速条件下弯叶片在扩压叶栅中的适用条件,用数值分析的方法研究了五种径向总压畸变的进口条件对扩压叶栅中弯叶片作用的影响。结果表明:进口总压畸变的型式能够影响弯叶片在扩压叶栅中的作用,影响分别为畸变层厚度的影响和主流区总压与端壁总压之差的影响。在一定的范围内畸变层越厚或压差越大,弯叶片对吸力面角区低通流区的密流增加越明显,从而更大程度地改善了端区的通流能力和流场性能,也极大地降低了叶栅损失。

涡轮动叶采用弯叶片的数值模拟及流场结构分析

本文采用数值模拟的方法，对某型涡轮动叶，计算了±１０°、±５°、０°、１５°、２０°七种倾角下的动叶流场，流场模拟的结果表明，采用正弯叶栅能够减少二次流损失，使总损失与常规动叶相比下降了约１０％，并加强了下通道涡，上通道涡喊弱。

Bezier函数型弯叶片及其在带遮风罩垂直轴风力机中的应用

引入X弯度与Y弯度2个参数,提出了一种基于Bezier函数思想的叶型几何参数设计方法,通过分析传统垂直轴风力机效率低的原因,在此基础上提出了一种带有遮风罩的垂直轴风力机,并将基于Bezier函数生成的弯叶片应用于该风力机中.通过CFD数值模拟方法,研究了该风力机的气动特性,以及各种叶片的弯曲形式对其气动性能的影响.结果表明:遮风罩可以有效降低因来流对动叶轮吸力面的直接冲击而造成的阻力扭矩,风力机平均扭矩可提高107%;叶片的弯曲程度是由X弯度和Y弯度共同作用的结果,当X弯度与Y弯度在一定范围内具有局部最优值时,所形成叶片的垂直轴风力机的气动性能最佳,与普通半圆形叶片相比,风力机总扭转矩提高了33.8%.

低速条件下稠度对扩压静叶栅弯叶片流场性能的影响

为研究弯叶片在扩压叶栅中改善流场性能的适用条件,对一直列叶栅三种稠度条件下的弯叶片流场进行了数值模拟。结果表明,稠度大小对弯叶片的作用影响较大,在一定范围内稠度越大弯叶片改善叶栅性能的作用越明显。大稠度下弯叶片明显提高了叶栅吸力面角区的通流能力及减小了端区的能量损失。分析表明,大稠度叶栅近端壁低能流体区较大而导致的端壁及吸力面角区性能恶化,是弯叶片能够发挥作用的重要原因。

弯叶片对畸变条件下风扇性能影响研究

以跨声速风扇为研究对象,采用全周三维非定常数值模拟方法研究静叶根部20°正弯对总压畸变条件下风扇性能和流场结构的影响。通过对设计转速下风扇全工况进行求解,对比分析了静叶采用直叶片和弯叶片时设计点和近失速点的风扇性能和流场结构。通过与均匀进口条件的风扇性能对比,探讨弯叶片对风扇效率、稳定边界以及抗畸变能力的影响,重点研究弯叶片对动静叶流动损失的影响以及对级性能的影响和改善机理。研究表明,均匀进口时,根部20°正弯静叶可以改善风扇在近失速点附近的性能,而在设计点附近,弯叶片的作用不明显;进口总压畸变条件下,静叶根弯20°能有效改善风扇性能,提高稳定性;静叶根弯对流场的影响取决于具体的流场结构,流动状态越恶劣,弯叶片的作用越明显。

风力机预弯叶片结构与静气弹性参数化有限元分析方法研究

构建了风力机预弯叶片气动外形和铺层结构的参数化表达模型,采用MATLAB与ANSYS APDL相结合的方法对复合材料预弯叶片进行参数化有限元建模、加载和结构分析,并以某1.5 MW预弯叶片为例验证了该方法的正确性;基于修正的叶素动量理论和气动载荷参数化分布加载方法,对风力机预弯叶片的静气弹性进行分析和研究,结果表明预弯叶片的展向变形有助于叶片气动功率的提高,而叶片扭转变形造成风力机实际气动功率的降低,根据叶片的计算扭转变形,在叶片的设计中增大叶片的预扭转角度可避免叶片因弹性扭转变形造成的设计功率偏离。研制了风力机叶片结构性能和静气弹性分析工具(WTBSA),为预弯叶片的多学科优化设计奠定了基础。

弯叶片对二次水滴运动特性及水蚀的影响

为探索减轻工业汽轮机末级叶片水蚀的主动控制措施,从气液两相流动的运动特性出发,研究了水滴在级环境下的运动特性与二次水滴侵蚀问题.通过比较静叶不同弯曲设计对二次水滴的影响,得到了弯叶片影响静叶表面水滴运动特性的机理,提出以弯叶片控制二次水滴撞击范围与强度的方法.结果表明:静叶反弯能够减小二次水滴在叶展中部的速度,这一作用对二次水滴在静叶表面的运动也适用;静叶反弯能够增大二次水滴在叶片两端的速度,有利于二次水滴顺利通过动叶栅通道,减少二次水滴对动叶的撞击;静叶反弯通过改变二次水滴速度分布,大幅降低了动叶顶部吸力侧的水蚀程度,静叶反弯25°可使动叶高侵蚀率区域面积减小90%以上.