周期性尾迹对涡轮端区二次流强度影响

为进一步认识上游周期性尾迹对涡轮端区流动的影响,分析尾迹与端区二次流结构之间的相互作用,基于高负荷低压涡轮(high-lift low pressure turbine,LPT)叶型Packb对非定常工况下尾迹与端区流动进行了数值模拟研究,并借助扇形叶栅实验台进行辅助校核。数值研究采用商业计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件进行仿真,借助LES模型耦合Smagorinsky亚格子模型,对尾迹造成的端区流动影响进行了分析。结果表明:尾迹的存在使得叶栅出口处的端区二次流强度出现周期性的变化,其增强与削弱作用的交替出现是尾迹在通道中所处位置不同所造成的,利尾迹周期性地对二次流强度的削弱作用可有效减小端区流动损失。

尾迹对低压涡轮端区非定常流动影响的数值研究

为提高尾迹对涡轮端区二次流影响的认识,利用尾迹降低端区损失,采用数值模拟方法对T106A非定常工况下的叶栅流动进行模拟,辅以实验进行校核。以上游尾迹对端区附面层的抬升作用和上游尾迹对叶栅通道前部涡系结构的破坏作用为切入点,分析尾迹对端区二次流非定常发展过程的影响。研究发现尾迹中心离开叶栅通道时,尾迹对叶栅端区二次流起抑制作用;当尾迹尾部离开叶栅通道时,尾迹卷起的轮毂附面层激励了端区二次流,使二次流更加活跃。

端壁造型对高压涡轮封严流和主流的影响

轮缘封严流在保证高压涡轮正常工作的同时也会与通道主流发生相互作用,导致掺混损失增加。以某典型高压涡轮叶栅为研究对象,采用数值模拟的方法,开展了轮缘封严流与主流相互影响机理研究。在此基础之上,探讨了非轴对称端壁对涡轮端区二次流的影响,在不同封严流量下详细分析了涡轮内部损失变化情况。在封严流流量比为0.7%时,非轴对称端壁减弱了端区横向压力梯度,削弱了封严泄漏涡和马蹄涡压力面分支横向迁移的驱动力,延缓了通道涡的形成;当封严流流量比增大到1.3%时,端区二次流的强度更大,非轴对称端壁对端区流动损失仍然具有明显的抑制作用。必须指出的是非轴对称端壁可以削弱叶片吸力面局部的逆压梯度,抑制角区流动分离。

基于均匀设计法的涡轮叶栅水滴型前缘修型结构的数值优化研究

为了最大程度地降低端区二次流对涡轮叶栅带来的流动损失,对某典型低压涡轮叶栅引入水滴型前缘修型结构并进行设计参数优化。首先使用控制变量法研究单一设计参数变化对流动控制效果的影响;然后基于均匀设计法,对不同设计参数组合的水滴型前缘修型结构的流动控制效果进行数值模拟,获取控制端区二次流最优的设计方案。结果表明:控制变量优化下的最佳设计方案可以使总压损失降低6.1%;均匀设计优化下的最佳设计方案可以使总压损失降低8.61%。与控制变量法相比,均匀设计法得到的水滴型前缘修型优化结构能够更大程度地降低前缘马蹄涡强度,延后通道涡到达吸力面的位置,减小通道涡对主流的影响范围,进而从流动机理层面证实了均匀设计法优化水滴型前缘修型的可行性。

上游尾迹对高负荷低压涡轮非定常气动性能的影响

低雷诺数下,利用圆柱绕流尾迹模拟上游叶片尾迹的方法,实验研究了上游尾迹扫掠对高负荷低压涡轮叶栅端区二次流和叶型损失的影响,并对尾迹与端区二次流相互作用的物理机制进行了数值研究。尾迹扫掠能显著抑制端区涡系结构,尾迹中的正负涡团与轮毂通道涡相互作用交替进行,端区二次涡在整个周期内的时均值降低。此外,尾迹扫掠具有很强的两面性,一方面尾迹扫掠可以抑制叶片吸力面分离,但也会增大掺混损失,调整好恰当的尾迹扫掠频率,可以最大限度地提升涡轮的气动性能。