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%.

自发射流耦合凹槽抑制涡轮叶尖泄漏的数值研究

为了探究复合被动结构对涡轮叶栅流场特性的影响,进一步减小涡轮叶尖泄漏量,建立了自发射流耦合叶顶凹槽的数值计算模型,采用正交试验法优化了射流参数,得到最优射流参数组合为A1B1C1,即间隙高度为0.5mm、射流角为30°、射流偏转角β为0°。在此基础上,将自发射流与叶顶凹槽进行耦合,结合间隙内流线、速度及平均总压损失系数分析了耦合结构下的泄漏流场特性。结果表明:当凹槽宽度与叶高比值(w/h)较小时,自发射流与叶顶凹槽耦合时存在最佳凹槽深度,即w=5%h,凹槽深度d=1%h,耦合结构较纯自发射流的间隙内部损失更大,叶尖泄漏量更小,泄漏抑制效果更优;当w/h较大时,耦合结构的泄漏抑制效果恶化,甚至较纯自发射流差,这种效应随着d/h减小更为明显。

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。

间隙高度对自发射流抑制叶尖泄漏的影响

通过数值求解三维定常黏性雷诺时均N-S方程,获得了单孔叶尖自发射流条件下不同叶顶间隙的叶栅流场,对比分析了间隙高度对自发射流与叶尖泄漏流相互作用特性、叶尖泄漏流量以及叶片载荷的影响.结果表明:当叶顶间隙高度为1mm(t/H=0.5%)时,自发射流对泄漏流有明显的阻挡作用,泄漏流量比减少0.06%,同时叶片载荷增加1.39%.当叶顶间隙高度增大到4mm(t/H=2%)时,自发射流的阻挡作用及对叶片载荷的增加作用基本消失;减小间隙高度可以有效提高自发射流的控制效果,同时降低因分离造成的流动损失;自发射流的存在显著改变了间隙流场分布及叶尖吸力面附近静压系数分布,计算发现当泄漏流绕自发射流流过时,下游流场出现类似卡门涡街的涡分布现象.

一种复合方法抑制叶尖泄漏的试验及模拟研究

为了强化涡轮叶顶间隙泄漏抑制,提出了将被动式气动封严与叶尖几何改型方法相结合用于抑制叶尖泄漏及其损失的流动调控新方案。对叶顶凹槽与自发射流耦合的3种典型方案进行了模型试验和数值模拟,探讨了2种被动式抑制方法的耦合机理。研究表明,叶顶凹槽与自发射流(STI)之间存在明显耦合作用,当自发射流出口位于凹槽底部时,自发射流与凹槽涡(GV)预先掺混,导致2种抑制效应相互抵消,无法对泄漏流形成有效抑制,为不良耦合。而当自发射流出口位于凹槽压力边或吸力边时,自发射流的反吹阻滞效应与凹槽涡的动能耗散效应相叠加,对泄漏流形成2次有效封堵,为有效的耦合方案,而且以自发射流出口位于凹槽吸力边时,对泄漏流的抑制效果最佳。