高负荷跨声速涡轮转子叶顶激波系结构及其对热流分布影响的数值研究

叶顶泄漏流动会增强叶顶换热,为防止高负荷跨声速转子叶顶烧蚀,本文采用数值方法研究了某高负荷跨声速转子叶顶激波系结构及其对叶顶热流分布的影响,为跨声速转子叶顶的冷却设计提供参考。结果表明:在叶顶间隙压力侧出现分离泡,高马赫数气流流经分离泡后的折转产生了较强斜激波,该斜激波干涉导致机匣边界层出现分离,分离泡上下游的两个折转产生了两条反射激波。受两条反射激波影响,叶顶边界层增厚导致叶顶出现两道紧密的低热流条带;沿着流动方向,分离泡下游激波强度逐渐增大导致机匣边界层分离程度加剧,边界层分离产生的前后折转程度随之增大,导致两条反射激波强度增大,引起叶顶条带热流进一步降低。当涡轮级膨胀比大于2.0时,受超音堵塞影响,亚声速区域的马赫数基本不受膨胀比变化的影响,叶顶热流分布也基本不变;在超声速区域,随着膨胀比的减小,叶顶间隙内斜激波先出现强度增大,再转为正激波的现象,以实现逐渐升高的静压升,叶顶条带热流随之出现先减小后增大的现象。当涡轮级膨胀比降低至1.5时,叶顶间隙内激波结构完全消失,叶顶受分离再附着影响,呈现出较高热流分布。

机匣周向槽对跨声速涡轮叶顶泄漏流结构和气动特性影响的研究

为了控制涡轮叶顶间隙泄漏流以改善叶顶区域的流动状况,提出了机匣周向槽造型方法。以典型跨声速涡轮级(Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics,TTM)模型为对象,研究了不同高度的机匣周向槽造型对涡轮叶顶流动结构和气动特性的影响。结果表明,引入机匣周向槽造型后,近叶顶涡系结构发生了显著变化,叶顶泄漏涡(TLV)分为前后两部分,TLV-1穿过上通道涡(UPV)并逐渐被消耗,TLV-2则在周向槽之后重新形成并发展至尾缘,导致TLV的强度减弱,尺度减小。此外,由于周向槽的卷吸削弱了马蹄涡压力侧分支(HVP)的强度,加上TLV-1的压制和消耗,UPV更为远离机匣,与TLV的交互作用减弱,其强度减弱,尺度减小。总体而言,随着造型高度增大,叶顶间隙泄漏率逐渐减小,涡轮级总静效率先增大后减小。相比于无周向槽设计,当造型高度为2倍叶顶间隙时,叶顶泄漏率可降低0.15%,涡轮级总静效率可提升0.31%。

倾斜/弯曲导叶对跨声速涡轮非定常性能的影响

为探究倾斜/弯曲导叶对涡轮气动性能及非定常性的影响,采用SAS SST方法求解N-S方程组,对不同倾斜/弯曲导叶构型的跨声速涡轮级进行全三维黏性非定常数值模拟.分析倾斜/弯曲导叶对涡轮级效率及效率波动的影响,以及对导叶和下游动叶总扰动强度、各阶谐频扰动强度的影响,结合时空图将扰动与流动现象进行关联,探究导叶构型影响涡轮非定常性的机理.结果表明:正倾斜和正弯曲导叶可以有效地提升涡轮级效率,并减小涡轮级效率波动水平,使得涡轮级运行更加平稳;跨声速涡轮转子叶片上主要气动扰动来源于导叶尾缘激波在下游转子叶片上移动及反射产生的压力扰动,倾斜/弯曲导叶可以有效降低转子叶片扰动强度;正倾斜导叶主要通过影响一阶谐频的扰动强度来降低转子叶根和叶尖的总扰动强度,但叶中区域扰动强度则通过降低二阶及更高阶谐频上的扰动实现;正弯曲导叶转子叶根位置的扰动强度降低主要通过三阶谐频扰动强度降低实现,叶尖区域扰动强度的降低主要通过一阶谐频扰动降低来实现,而叶中区域的扰动强度则通过各阶谐频上扰动强度共同降低实现.

跨声速涡轮级三维流场的数值模拟

采用FLUENT软件对某变循环发动机的高压跨声速涡轮级的三维粘性流场进行了数值模拟计算,使用混合平面法实现涡轮级动、静三维流场联算,计算中分别采用两个典型的双方程模型RNG k-ε模型和realizable k-ε模型,并将计算结果进行了对比,结果在一定程度上表明在分离流计算和带二次流的复杂流动计算中,Realizable k-ε模型的计算结果更精细一些。同时分析了其内部流场以及通道内总压损失的分布情况,为进一步改进叶型设计提供了理论依据。

大膨胀比跨声速涡轮流动结构及损失的数值研究

为了揭示跨声速大膨胀比涡轮损失的主要特点和两种不同尾缘冷却方式对损失的影响,以典型大膨胀比跨声速涡轮和跨声速叶栅为研究对象开展了数值研究。研究发现大膨胀比跨声速涡轮的主要损失是叶型损失,占到总损失的65%左右,尾缘激波损失是叶型损失的主要来源。尾缘全劈缝冷气入射通过提高尾缘基压区基压来减少尾缘膨胀波对气流的加速程度,从而降低最高马赫数和激波损失,尾缘压力面劈缝冷气入射通过改变叶片尾缘压力面激波波系结构,使原来的一道激波变成两道或者两道以上的弱激波,从而减少激波损失。两种尾缘冷气方式都有利于降低大膨胀比跨声速涡轮激波损失,但压力面劈缝冷气入射方式效果更为明显。

尾缘冷却跨声速涡轮气动特性的数值模拟

为了明确跨声速涡轮中尾缘冷却措施的引入对其气动性能的影响,针对跨声速涡轮叶栅中压力面半劈缝尾缘冷却方式和尾缘全劈缝冷却方式条件下,叶栅性能和尾缘激波系结构的变化进行了数值研究。结果显示,两种尾缘冷却措施都降低了叶栅能量损失系数,压力面半劈缝尾缘冷却方式效果更好,最佳情况损失系数下降达到48%。冷却流量对作用效果有一定影响,存在最佳值。冷却措施的引入显著改变了尾缘激波系结构,尤其对PSEJ冷却方式,将尾缘激波系压力面分支由原本一道强激波分成三道弱激波。

跨声速涡轮静叶尾缘激波对动叶前缘气膜冷却效果影响的研究

为进一步探究跨声速涡轮中非定常激波对气膜冷却效果的影响,以跨声速涡轮级叶型作为研究对象,采用非定常数值模拟方法,通过在动叶前缘不同弦向位置进行冷气喷射,探讨了静叶尾缘外伸激波的扫掠对动叶前缘气膜冷却效率的影响。研究结果表明,静叶尾缘外伸波接触到动叶前缘时会导致接触点下游气膜冷却效率降低;冷气喷射孔距离前缘越近,每周期内受上游静叶尾缘外伸波影响时间越长,受影响时长在10%~20%周期之间;不同方案中气膜孔下游相同距离位置上,时均冷却效率相差最大可达89.5%。

高负荷跨声速涡轮激波损失机理及控制技术研究

为了指导高性能、高负荷跨声速涡轮的设计,对其叶栅内的流场结构、尾缘波系结构、减小激波损失的机理及其控制技术进行了分析研究。结果表明:跨声速涡轮尾缘流场结构复杂,存在分离膨胀波、分离激波、基底区、再附激波、尾迹、吸力面反射波甚至激波边界层相互干扰等流动现象。通过采用收缩-扩张通道,喉道后采用直线型吸力面,减小吸力面尾缘弯折角、尾缘厚度和尾缘附近局部修型等措施,从而减弱激波强度,减小激波损失。

叶顶泄漏对跨声速涡轮气动性能和叶片激振特性的影响

针对SNECMA公司的跨声速实验涡轮装置,建立了单流道无冠叶栅三维CFD计算模型,通过求解定常RANS方程,研究了4种叶顶区域结构(平板叶顶-标准机匣、凹槽叶顶-标准机匣、平板叶顶-台阶机匣和凹槽叶顶-台阶机匣)下,叶顶泄漏流及其与主流的掺混效应对涡轮气动性能和叶顶间隙激振力的影响。结果表明:叶顶间隙较大时,凹槽叶顶-标准机匣结构的等熵效率最大,采用台阶机匣结构会使等熵效率下降;叶片切向力随叶顶间隙的增加先增大后减小,其中平板叶顶-标准机匣结构的叶片切向力最大且变化相对平稳;叶顶泄漏流对99%叶高、约67%轴向弦长处吸力面的静压分布有显著影响,叶顶间隙增加会使该区域静压下降,导致叶片切向力增大;平板叶顶-标准机匣结构的穿越间隙较大,力敏感度系数较小,促进转子稳定运动的叶顶间隙区间较大,有利于转子的稳定运行。文中还分析了叶顶间隙激振力的产生机理及其特性,可为优化叶顶结构设计和减小叶顶间隙激振提供理论依据。

跨声速涡轮平面叶栅实验与激波控制研究

开展了跨声速涡轮平面叶栅吹风实验,采用纹影技术捕捉静叶尾缘的激波现象并测量了流道中总压和静压分布。基于CFX软件,采用与实验相同的边界条件对实验叶栅进行了数值模拟分析,获得了流场分布、激波损失分布、激波/尾迹和边界层干扰分布等。综合实验与数值模拟结果,分析了叶片表面静压分布特点、叶栅出口周向总压分布特点及叶栅能量损失系数与出口马赫数的关系,发现激波损失在气动损失中占有很大比重。为了削弱激波强度以降低激波损失,通过控制叶型,使压力面负荷向尾缘移动,由此使得叶栅总压恢复系数增大0.003 6,能量损失系数降低0.185 8,总体激波损失减弱。

吸力面不同吹风比切向冷气喷射对跨声速涡轮叶栅气动性能的影响

为进一步探究跨声速涡轮中吸力面切向冷气喷射对叶栅气动性能及气膜冷却效果的影响,以跨声速涡轮叶栅作为研究对象,采用数值模拟方法,通过在叶片吸力面不同位置开设切向冷气喷射槽,进行不同吹风比下的冷气喷射,对跨声速气冷涡轮叶栅的总体性能以及流场细节进行了详细研究。研究结果表明,吸力面切向冷气喷射有利于减小跨声速涡轮叶栅激波损失,叶栅最大马赫数可减小0.104;切向冷气喷射槽位于尾缘内伸激波反射点上游,且吹风比处于0.75～1.00内时,叶栅能量损失最小;吹风比的增大有利于减小甚至消除冷气槽内分离泡,并能够减小唇部激波强度。

进口不重合和轴对称造型对跨声速涡轮叶栅端壁传热特性的影响

为有效评估实际燃气涡轮叶栅进口端壁不重合和轴对称收敛端壁造型对叶栅端壁传热特性的影响,以某工业燃气涡轮第一级跨声速导向叶栅为研究对象,基于商用CFD软件ANSYS Fluent 15.0,研究了3种端壁结构:简化平板端壁、具有子午面轴对称收敛造型的实际涡轮叶栅外端壁(叶顶)和内端壁(叶根)在设计工况(进口湍流强度为16%,出口马赫数为0.85)下的流动和传热特性。计算分析了2种进口端壁不重合度(进口后向台阶高度为0、6.78mm)下,3种叶栅端壁结构的端壁热负荷分布、近端壁二次流结构和后台阶涡系发展。结果表明:轴对称收敛端壁造型和进口端壁不重合均会显著改变叶栅端壁二次流结构和热负荷分布规律;轴对称收敛端壁造型可在一定程度上减小端壁热负荷,尤其是叶片前缘肩部和喉部下游等易发生热腐蚀的冷却气膜难以覆盖区域;燃气涡轮实际运行中产生的进口端壁不重合导致叶栅前缘上游典型高传热区面积和强度(增大约140%)显著增大并向叶栅通道内迁移,使叶栅端壁承受着极高热负荷;实际燃气涡轮第一级导向叶栅端壁冷却方案设计必须充分考虑实际端壁造型结构和燃烧室-涡轮交界面端壁不重合对端壁热负荷分布的影响。

叶型探针头部对跨声速涡轮叶栅流场的影响叶型探针头部对跨声速涡轮叶栅流场的影响

为探究叶型探针头部对跨声速涡轮叶栅流场的影响,采用数值模拟的方法,对叶片前缘的不同叶高位置处装有探头的跨声速涡轮叶栅流场进行了研究。分析了不同攻角下叶片负荷性能变化、流场的旋涡结构、流动损失以及探针的适用性。结果表明:叶型探针头部影响了叶片加载性能,且影响效果受气流攻角的变化明显。气流绕过探针头部后形成较长的流向涡结构。在大的正攻角下叶片吸力面出现附着涡层,该附着涡层是带有探针的叶片负荷性能下降的主要因素。叶型探针对叶栅通道各位置造成的损失占比沿流向逐渐减小,大攻角下叶型探针使栅后流场损失增加7.4%。安装在展向不同位置处的探针都能在整个可调进气攻角范围内具有较好的适用性。

跨声速高压涡轮静叶水滴喷雾/空气冷却性能研究

采用气热耦合的方法对径向对流内冷方式的Mark-Ⅱ跨声速高压涡轮静叶进行数值仿真准确度验证,分析湍流模型、转捩模型和有无耦合对计算结果准确度的影响。在此基础上,通过对该对流冷却通道的冷却空气加湿来研究加湿前后冷却性能强化。由于单纯的对流冷却时冷却空气流速快,液滴蒸发不充分导致两相流冷却效能未充分发挥,所以将Mark-Ⅱ改型为气膜+对流复合型冷却叶片,详细讨论不同加湿量和液滴直径对叶片强化换热的影响,同时给出加湿对于跨声速叶栅流场和边界层的影响。

2.4m跨声速风洞涡轮动力模拟器安全监控系统

2.4m跨声速风洞涡轮动力模拟器安全监控系统,由系统板卡自检、通道校准、系统监控、数据分析及传感器系数数据库模块组成。其在安全联锁设计包括转速信号处理、加速度信号处理、过载保护、转换三通球阀等。应用结果表明,该系统满足跨声速风洞涡轮动力模拟器试验设备对安全监控系统的技术要求。

跨声速轴流涡轮特性预估方法

[目的]在高亚声速和跨声速下,轴流涡轮静叶喉部出现跨声速气流,三维研究时间周期长且获取特性参数慢,为此,提出一套行之有效的涡轮特性预估方法体系。[方法]整合已有的损失模型及采用一维编程的方式预估涡轮特性,并通过三维数值模拟进行验证。[结果]研究结果显示,一维特性评估得到的级等熵滞止温比与三维的相对误差为11.53%,级滞止膨胀比的相对误差为11.77%,反动度的相对误差为14.23%。基于此,准确判断了静叶是否存在跨声速现象,且单级涡轮采用动叶出口温度的绝热指数所获得的特性预估较为准确。[结论]在误差允许范围内,可实现跨声速的涡轮特性快速预估,减少计算量。

端壁凹坑深度对跨声速涡轮叶栅损失特性影响的数值研究

采用仿生学球形凹坑表面结构被动控制方法,探究5种深度的凹坑方案,其深度分别为0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm和0.30 mm,深径比均为0.25,三排凹坑被布置在18%~30%弦长处,其中距叶片吸、压力面均为2 mm,轴向间距为4 mm。研究对象为由1+1/2高压级跨声速对转涡轮构成的平面叶栅,通过商用CFD模拟计算得出损失系数、静压分布等气动指标,分析在端壁位置布置不同深度凹坑对涡轮叶栅流动性能的影响。数值结果显示:0.2 mm深度的端壁凹坑对流道内涡系发展具有最优的流动控制效果,抑制了横向二次流沿展向爬升,削弱了端区附近激波强度,使叶栅总压损失系数降低2.71%。

基于跨声速高压涡轮凹槽叶顶间隙模型的大涡模拟研究

为研究跨声速高压涡轮叶顶间隙非定常流动特性及流场结构,基于跨声速高压涡轮凹槽叶顶间隙的几何特征,建立了可行的简化数值模型,并通过大涡模拟对叶顶凹槽间隙内部的非定常流动进行了数值计算,探讨了凹槽叶顶几何参数对流动稳定性和气动性能的影响。研究结果表明,当跨声速泄漏流动流经凹槽叶顶时,在凹槽入口处形成激波,同时凹槽前分离泡发生周期性膨胀并产生间隙脱落涡,脱落涡与激波相互作用使得凹槽内的激波呈现明显的非定常性;凹槽深度从1.0mm增加至1.5mm后,间隙脱落涡尺寸明显减小,其产生周期缩短20%,涡量拟能展向分量平均占比从40%升高至49%,同时间隙脱落涡的扩张、破碎过程及其与回流区的掺混受到抑制,使得泄漏流动的非定常性明显下降。

跨声速涡轮叶栅激波损失控制方法

为了降低高负荷跨声速高压涡轮激波损失,发展了针对性的涡轮叶栅激波控制方法。针对吸力侧激波,提出可控膨胀设计概念,结合基于曲率的叶型设计方法,通过调整吸力面曲率分布以控制气流膨胀力度,减小了尾缘激波前马赫数,有效减弱了吸力侧激波强度和叶栅出口压力不均匀程度。针对压力侧激波,发展了消波设计方法,在吸力面的激波作用区域设计一鼓包型线,利用鼓包迎风面压缩波的预增压作用和外凸面膨胀波的消波作用,有效抑制了激波/边界层相互干扰,显著削弱了反射激波强度。可控膨胀设计和消波设计对叶栅尾缘两道激波的控制作用相互独立,可单独采用,当两种方法相结合时,吸力侧激波强度降低了29.66%,叶栅出口压力不均匀程度减小了29.28%,总压损失系数减小了12.11%。

1+1/2对转涡轮应用中的关键技术问题

本文对1+1/2对转涡轮应用的关键技术问题进行了探讨。分析表明,出功比SWR是衡量1+1/2对转涡轮技术 难度的特征参数。增加高压转叶出口气流角和马赫数是降低出功比的两条现实途径。关于高压转叶与低压转叶非定常作用 的分析和理解将是1+1/2对转涡轮成功的关键。