进口预旋下三种典型迷宫密封转子动力特性研究

为探讨考虑进口预旋的迷宫密封转子动力特性,基于Murphy小位移涡动理论建立气流激振力与转子涡动位移的控制方程,采用用户自定义函数建立多频椭圆涡动模型,利用FLUENT动网格技术数值求解直通齿式迷宫密封(SLS)、倾斜齿式迷宫密封(ILS)和阶梯式迷宫密封(STLS)在不同预旋比下的激振力,通过快速傅里叶变换得到整机运行时的密封动力特性系数,并对转子稳定性和密封的泄漏量进行分析。结果表明:在40~180 Hz涡动频率范围内3种密封结构的直接刚度系数呈先减小后增大的趋势,表现出很强的频率相关性,而密封结构与进口预旋对阻尼系数的影响可以忽略;阻尼系数随涡动频率增加缓慢减小至负值并趋于平稳,其中STLS的阻尼系数最小,稳定性最差,ILS的稳定性最好;增加进口预旋比会降低有效阻尼系数,并导致泄漏量降低;STLS在不同预旋条件下的密封性能均最佳,相比于SLS与ILS的泄漏量分别减少了15%和7%;在研究的20~200 Hz涡动频率范围内3种类型迷宫密封的交叉刚度由负值增大为正值,而有效阻尼减小为负值,此时迷宫密封转子系统稳定较差,可能会诱发转子失稳。

进口预旋条件下波瓣混合器强制掺混机理

以波瓣混合器为研究对象,通过试验和数值计算的方法研究了其强制射流掺混的机理及进口预旋对射流掺混的作用机制。结果表明:κ-ωSST模型能较好地模拟波瓣射流掺混过程;波瓣贯穿区径向压力梯度所诱导的大尺度流向涡在射流掺混过程中起支配作用;与轴向进气工况相比,进口预旋导致附加流向涡对及中心锥下游回流区的形成,强化了射流涡系间相互作用,加速了射流掺混过程。

对旋轴流式喷水推进泵的进口预旋

为了研究喷水推进泵在小流量下效率下降较快的原因,应用计算流体动力学方法对不同工况下的喷水推进泵进行数值模拟,研究进口预旋的产生和发展,分析进口预旋对效率的影响以及转速对进口预旋的作用.结果表明:在设计工况Q_d时,首级叶轮进口的绝对速度圆周分量vu接近0,基本不随流道半径的变化而变化,进口预旋可以忽略;0.8Q_d时,vu随流道半径的增加出现小幅增大,仅仅在轮缘处有较小的正预旋;从0.6Q_d开始,预旋变化明显,流量越小,预旋变化越大.小流量下,降低首级叶轮的转速,可以有效地改善进口预旋,提高泵的效率;通过调节叶轮转速,可以有效地改善泵内部的流动状态并通过比较分析出小流量相对较优的转速.研究结果对于其他比转数的喷水推进泵的进口预旋分析具有重要的指导意义.

进口预旋对高压迷宫密封流体激振转子动力特性的影响

采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术求解非定常Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程,研究进口预旋对高压环境下迷宫密封非定常流场和流体激振转子动力特性的影响。分析对比进口预旋比为0.2、0.5和0.7时迷宫密封腔室的旋流强度、周向压力和转子动力特性系数。研究结果表明:高压环境下迷宫密封在低预旋比0.2时具有正的、与频率无关的直接刚度系数;随进口预旋比增大,迷宫密封有效阻尼显著减小,穿越频率明显增大;当预旋比从0.5增加至0.7时,有效阻尼的穿越频率从39.1 Hz升高至55.4 Hz;进口预旋增加会使得密封腔室周向旋流强度增加和周向压力分布不均匀性显著增强,进而导致迷宫密封的直接刚度和交叉刚度Kxy增加,高频区(f>30 Hz)下直接阻尼降低和有效阻尼明显降低。

高进口预旋条件下迷宫密封转子动力特性实验研究

为获得高进口预旋条件下迷宫密封转子动力特性,阐明其气流激振失稳机制,本文基于西安交通大学动密封转子动力特性实验台,实验研究了高进口预旋条件下(预旋比μ_(0)>0.8),压比以及转速对迷宫密封转子动力特性影响规律。实验测量了2种压比(π=3.0,4.0)、3种转速(n=3000,6000,12000 r/min)下迷宫密封频率相关的转子动力特性系数。研究发现:高预旋条件下,迷宫密封交叉刚度始终为较大的正值,导致有效阻尼始终为负值,不利于转子系统稳定,容易诱发转子失稳;压比对迷宫密封转子动力特性影响显著,随压比增加,迷宫密封直接刚度幅值显著增大,交叉刚度始终为正值且幅值显著增大,有效阻尼明显降低;转速对迷宫密封转子动力特性影响较小,直接刚度、直接阻尼对转速变化不敏感,基本保持不变,交叉刚度随转速增加略微增加,进而导致有效阻尼略微减小。

基于风机进口预旋的数值分析与应用研究

运用NUMECA软件对轴流风机在预旋角为-30°～30°范围内的流动情况进行数值模拟,获得了风机总体性能变化规律,叶片载荷和流动损失分布,以及气流参数沿叶高及周向分布情况,详细分析预旋调节对风机性能的影响,这些将为前导叶以及VSR预旋装置的设计和调节提供参考依据。

进口预旋对预压缩叶栅性能影响研究

进口预旋对改善叶间匹配、提高压气机效率和抗畸变能力有着重要影响。基于课题组自主研发的RANS方程解算器,以ARL-SL19,SM-1.5预压缩叶栅为研究对象,采用数值模拟和理论分析相结合的方式探讨进口预旋对预压缩叶栅的性能影响。结果表明:叶栅进口引入正预旋,叶栅流动处于溢流状态,来流相对马赫数由1.50降为1.43,叶栅前缘脱体激波表现为一道槽道正激波和一道向远上游延伸的外伸激波,此时叶栅流动损失较大;叶栅进口引入负预旋,叶栅流动始终处于起动状态,随着进口负预旋的增大,来流相对马赫数增加,叶栅流动损失增大。无论进口处存在正预旋还是负预旋,叶栅流动始终遵循唯一进气角原理;当预压缩超声速叶栅处于溢流状态时,可通过减小正预旋或引入进口负预旋的方式使其起动。

考虑进口预旋的阶梯型迷宫密封转子动力特性

针对阶梯型迷宫密封转子动力特性受进口预旋影响的问题,提出了考虑进口预旋的阶梯型迷宫密封动力特性计算方法。基于Murphy小位移涡动原理建立气流激振力-转子位移-转子速度的控制方程;采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法对不同预旋比的全环密封流道进行计算,通过频域内求解控制方程得到了刚度和阻尼等动力特性参数,研究了不同预旋比的情况下阶梯型迷宫密封的动力特性;绘制了流道内的压力分布和流速矢量图,研究了阶梯型迷宫密封的流场特性。数值仿真结果表明:随着预旋比的增加,直接刚度在低频部分增大,在高频部分减小,交叉刚度几乎不变,交叉阻尼随预旋增加而减小;气流预旋明显降低了直接阻尼,相较于预旋比λ=0的情况,λ=0.255及λ=0.516的工况下直接阻尼的预估值平均减小了16.9%和21.4%;随着节流次数增加,气流经过密封齿的压降逐渐增加,分别为0.25、0.374和0.499 MPa,密封齿顶的流速也逐渐增加,分别为79.5、88.36和106.0 m/s;由于密封齿阶梯式的排列增加了主流道的复杂性,阶梯密封流道分为节流区、射流区和涡流区,涡流区2个转向相反的旋涡增加了流道内气流动能的耗散。

速度比与进口预旋耦合作用下波瓣混合器射流掺混机理分析

为了掌握速度比和进口预旋耦合作用下波瓣下游射流掺混机理的变化规律,对4种不同进口预旋角下3种不同速度比工况进行了全3维数值模拟。结果表明:随着进口预旋角从0°增大到30°时,内外气流之间的掺混有所增强。小速度比工况和大速度比工况下总压损失系数分别增大了0.1和0.05,推力损失分别为4.6%和17.5%,因此应当综合考虑促进掺混和由此导致的总压损失和推力损失增大的效应。随着速度比的增大,流向涡强度逐渐增大,外涵流体对波瓣下游涡系发展的限制作用逐渐减弱,流向涡逐渐沿径向向外发展,更大范围的气体被卷吸参与了掺混;速度比和进口预旋的耦合作用有利于流向涡提前形成,并在波谷和中心锥之间引起泄漏旋流,加速了涡系破碎和耗散的速度;同时,速度比的增大,扩大了泄漏旋流径向范围,加强泄漏旋流同向的流向涡,有利于进一步加速射流掺混,但也使涡系间的相互作用更强烈,导致射流总压损失和推力损失增大。

高预旋下刷式密封泄漏和转子动力特性

为了揭示高进口预旋下刷式密封的封严性能和转子稳定性,基于涡动转子法和非线性Darcian多孔介质模型,建立刷式密封数值分析模型,研究高进口预旋下(预旋比λ>0.8)压比以及转子自旋速度对刷式密封泄漏特性和转子动力特性的影响规律,同时对比分析低进口预旋条件下的计算结果.数值计算5种压比(2.0,3.0,3.5,4.5,5.5)和5种转子自旋速度(3000,6000,7500,9000,12000 r/min)下刷式密封的泄漏特性和转子动力学特性.研究发现:高预旋条件下刷式密封泄漏量小于低预旋条件下;高预旋条件下刷式密封直接刚度和交叉刚度均大于低预旋条件下,且随压比增大而增大;高预旋条件下的交叉刚度始终为较大的正值;转子自旋速度对低预旋条件下刷式密封直接刚度的影响较小,而高预旋条件下的直接刚度随转子自旋速度增加以较缓慢的趋势下降;转子自旋速度增加,高预旋条件下的交叉刚度增加幅度大于低预旋条件下,进而导致有效阻尼下降.

进口预旋对高负荷跨声风扇性能的影响分析

利用三维数值模拟手段,研究了全转速条件下高负荷风扇进口级转子的预旋设计形式和其对气动性能的影响,以及在优化的预旋分布规律下,转子的典型部分转速特性.该风扇转子叶尖切线速度为480m/s,设计总压比为2.55,负荷系数高达0.42.结果表明:使用常规转子仍能达到该负荷水平,但采用带进口导叶的设计形式十分必要;在转子叶尖采用正预旋、低反力度的设计形式能有效地提高气动性能,如果想利用常规手段来设计下游静子则必须在叶根处引入反预旋;采用上述预旋规律所设计的转子在典型部分转速下仍然具有良好的性能.

进口防旋板对孔型密封非定常气流激振特性的影响

为了展示透平机械密封系统设计中进口防旋板在改善密封转子动力特性和增强转子系统稳定性的止旋方面的性能,采用基于转子多频椭圆轨迹涡动模型和动网格技术的非定常数值方法,研究了进口防旋板对孔型密封非定常气流激振力和转子动力特性系数的影响,计算分析了进口预旋比分别为0和0.6时2种进口防旋板结构的孔型密封转子动力特性系数、非定常气流激振力和流场特性,并与实验结果进行了对比。研究表明:非定常数值方法能够准确预测与频率相关的孔型密封转子动力特性系数;进口预旋可显著减小孔型密封的有效阻尼、增大有效阻尼项的穿越频率,易诱发转子涡动失稳;进口防旋板能够有效减小孔型密封的进口旋流速度、孔型密封的交叉刚度和有效阻尼穿越频率,增大孔型密封的有效刚度和有效阻尼,进而提高转子系统的稳定性。

离心压气机预旋及扩压器调节扩稳研究

以增压器无叶扩压离心压气机为研究基础,进行了压气机预旋导叶及扩压器设计,对单预旋、固定扩压器及预旋、扩压器耦合调节等不同情况下的离心压气机特性进行了数值分析,研究了进口预旋及扩压器可调的压气机扩稳特征。结果表明:压气机进口预旋在保持压气机最高效率特性基本不变的同时可以使压气机的流量范围拓宽16.7%,叶片式扩压器则可明显提高压气机最高效率约1.7%。在无叶扩压离心压气机的基础上,采用进口预旋和叶片式扩压器耦合调节控制的方法可在拓宽压气机喘振裕度的同时可使压气机工作效率提高约1.2%。

预旋对迷宫密封内流动传热特性影响的研究

采用三维周期性模型对发散型光滑面迷宫密封内传热及流动特性进行了研究,得出了两种流量下有无进口预旋时密封的间隙热系数随周向马赫数的变化关系,并与实验值、经验公式、二维轴对称模型得到的结果进行了比较,结果表明:该模型能较好地模拟有进口预旋时迷宫密封内的传热特性。在相同的流量和进口预旋比条件下,间隙热系数随转速的增加而增大;在相同流量和转速下,施加进口预旋能明显降低密封内总温升、减小间隙热系数,但不会影响子午面上的速度场;在相同转速和预旋比条件下,随着流量的增大,间隙热系数减小,子午面上速度增大,但流场结构不会发生变化。

预旋条件下波状前缘对喷水推进泵水力性能的影响

喷水推进泵在实际运行中存在进口预旋的情况,从而影响其水力性能。本文结合仿生手段设计波状前缘叶轮,利用OpenFOAM预测预旋条件下波状前缘对喷水推进泵水力性能的影响。结果表明,波状前缘在大流量下抑制喷水推进泵进口处横向流动,使喷水推进泵能量损失减小,效率提高。预旋速度越大,波状前缘对喷水推进泵效率提高范围越广。而小流量下喷水推进泵不存在横向流动,波状前缘反而会在头部产生漩涡从而增加能量损失,效率降低。

新型消旋波瓣混合器射流掺混机理研究

为了消除高进口预旋时波瓣混合器表面流动分离,将基准波瓣混合器侧壁直叶瓣设计成类叶型式的折转叶瓣,形成一种新型消旋波瓣混合器。研究了多种进口预旋工况下消旋波瓣性能参数、涡系发展以及射流掺混机理与基准直波瓣的异同。结果表明:新型消旋波瓣改善了进口预旋工况下波瓣吸力面压力分布;重新组织了波瓣出口截面气流周向角度的径向分布。在进口预旋超过10°以后,消旋波瓣混合器的总压损失以及波瓣式喷管的总压损失均小于基准直波瓣。消旋波瓣混合器在高进口预旋时性能优异,波瓣出口截面周向气流确实加速了下游射流掺混。

防旋板结构的迷宫密封转子动力特性研究

采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术求解非定常RANS方程,研究了高低两种预旋比下具有防旋板结构的迷宫密封气流激振转子动力特性。分析对比了在预旋比分别为0.13和1.32时无防旋板结构迷宫密封(Design 1)、带进口防旋板结构迷宫密封(Design 2)、在Design 2的基础上增加二级防旋板迷宫密封(Design 3)的平均周向速度、泄漏量、转子动力特性系数。数值模拟得到的Design 1的泄漏量和转子动力特性系数与实验数据吻合良好,验证了数值方法的准确性。研究表明:高预旋比会导致Design 1的直接刚度和有效阻尼降低,并使直接阻尼与交叉刚度增加;预旋比为1.32时Design 2相对于Design 1能明显降低交叉刚度,且降幅达到63.3%~86.3%,Design 3相对于Design 2的交叉刚度降低了12.9%~39.4%;预旋比0.13时Design 2的交叉刚度小于0,Design 3的交叉刚度绝对值相对于Design 2增加了24.4%~153.0%;Design 2相对于Design 1在预旋比为1.32时有效阻尼项穿越频率从175.1 Hz降低到28.3 Hz,预旋比为0.13时在20 Hz之后的有效阻尼增加31.6%~60.0%;Design 3相对于Design 2在预旋比为1.32时消除了有效阻尼的穿越频率,在预旋比为0.13时有效阻尼增加26.9%~38.0%。在两种预旋比下设计二级防旋板会略微降低直接刚度,减小交叉刚度,增加直接阻尼。本文工作可为增加迷宫密封转子动力特性的防旋板设计提供参考。

进口导叶预旋对扩压器内部非定常流场影响的实验

在不同的进口导叶预旋角度和方向下,采用热线风速仪对扩压器内部非定常流场进行了测量,采用锁相采样-集平均技术对热膜测量的瞬时信号进行处理,研究了进口导叶预旋角度和方向对扩压器内部非定常流场的影响.结果表明,扩压器内部大部分湍流强度均有所增加;扩压器内的非定常性受导叶尾流及大尺度涡团的非定常影响而减小,且负预旋角度下非定常性的减小程度小于正预旋角度下非定常性的减小程度;扩压器内部的非定常流动的基本频率降低.

迷宫密封转子动力学特性的数值模拟

采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程,研究了具有16个齿的迷宫密封转子动力学特性,分析了在两种转速条件下进口预旋对迷宫密封转子动力特性系数的影响,计算了无进口预旋时,在两种压比条件下,迷宫密封系统的交叉刚度和直接阻尼系数随转速的变化关系,并将计算结果与实验值和两控制容积BF(Bulk Flow)方法计算值进行了比较。研究结果表明:所采用的数值方法能较好地预测迷宫密封的转子动力特性,且计算结果优于两控制容积BF方法。对于迷宫密封,交叉刚度与进口预旋近似成正比关系,且随着转速的增大而增大;直接阻尼对转速和进口预旋均不敏感,但随压比的增大而显著增大。过大的进口预旋和转速均会使转子的稳定性降低;工作在较大转速下的迷宫密封系统可以通过施加合理的进口预旋来增强转子的稳定性。

非均匀进流下喷水推进泵进流速度场的数值分析

为具体描述喷水推进泵非均匀进流的结构特点,并深入探究非均匀流对喷水推进泵性能的影响,运用CFD-Post软件提取进水流道的出流速度场,将其Profile Data文件定义为喷水推进泵的附加进流条件,数值计算非均匀进流下泵的水动力性能,并与均匀进流下的仿真结果进行比较,获得了喷水推进泵扬程和效率的降幅曲线,其下降幅值随进流场不均匀度的增大而上升.围绕喷水推进泵叶轮进口边的周向平均速度分量,具体分析泵在非均匀进流场中性能下降的原因.结果表明,喷水推进泵的传统设计方法无法满足实际工作要求,相关假设在非均匀进流中也不再适用.其中,非均匀进流场中进口预旋不可忽略;叶轮进口轴面速度和环量不再遵循线性分布规律;圆柱面无关假设也不再成立.非均匀进流对叶轮的干扰集中于叶片进口轮缘处,二次回流的出现堵塞了流道,降低了泵的过流能力,同时诱发叶片轮缘处的载荷突变,降低了泵的做功能力.