跨声速轴流压气机近失速状态的间隙泄漏流流动特性

为了研究间隙泄漏流以及泄漏涡自身的非定常性对轴流压气机的旋转失速的影响.对跨声速轴流压气机NASA转子37进行全三维定常、非定常的数值模拟,对比了最大效率和近失速工况的实验和数值模拟结果,定常计算所获得的总性能与试验结果符合良好.对于非定常计算,详细分析了NASA转子37近失速工况下流场结果,揭示了NASA转子37在近失速工况点,间隙泄漏流存在较明显的非定常性,这种非定常性表现为间隙泄漏流激波干涉引起间隙泄漏涡的周期性破碎.

低雷诺数对透平叶片间隙泄漏流动影响的研究

采用预处理方法数值研究了低雷诺数时某小型燃气轮机透平叶栅间隙泄漏流动和气动性能.对比分析了雷诺数从4.40×104到2.55×105变化时,带间隙和不带间隙时流场的变化特性,研究了雷诺数对间隙泄漏流的影响,并和相应的实验结果及Denton预测值进行了对比.结果表明:对于间隙存在造成的流动损失,数值模拟结果与实验结果及Denton的预测值都十分接近,基本上不随着雷诺数的变化而变化;但是,随着雷诺数的减小,通道涡增强;间隙泄漏涡在和通道涡的相互作用中,强度减弱,在叶栅出口处的位置更加靠近中叶展;出口处的总压损失和气流角的分布也由于间隙泄漏涡强度和位置的变化而发生改变.

凹槽叶顶非定常间隙泄漏流动和传热的数值研究

应用数值方法研究了燃气透平中凹槽状叶顶非定常泄漏流动和传热问题。计算采用GE-E3发动机高压透平第一级动叶,叶顶间隙高度取1%叶高,叶顶凹槽深度取2%叶高。通过施加非定常边界条件模拟上游静叶尾迹,分析了非定常流动对动叶叶顶传热的影响。结果表明,叶顶附近的流场波动主要出现在叶顶前部及尾缘附近。叶顶凹槽底部传热系数变化主要出现在凹槽前部。定常计算获得的叶顶面积平均传热系数与非定常计算的时均结果相差很小。

跨音速轴流压气机间隙泄漏流流动特性研究

间隙泄漏流对轴流压气机的旋转失速造成严重影响,通过对跨音速压气机NASA转子37进行单通道非定常及多通道非定常数值模拟,单通道非定常计算揭示,在近失速工况下,叶顶存在间隙泄漏流自身非定常性,并且比较了两个不同背压条件下的非定常模拟结果,当出口背压较大的情况下,间隙泄漏流非定常性很不稳定,而当出口背压较小时,泄漏流非定常性稳定;多通道非定常数值模拟结果显示,在近失速工况下,当出口背压较大的情况下,间隙泄漏流非定常振荡,触发突尖型旋转失速先兆,具体表现为叶尖前缘间隙泄漏流溢出,而当出口背压较小的情况下,间隙泄漏流非定常性始终较为稳定。

周向槽调控轴流压气机非定常间隙泄漏流机理初探

以某压气机转子为载体,针对其顶部间隙泄漏流的非定常特性,设计了一种周向槽处理机匣,利用数值模拟的方法研究了其对压气机转子性能及顶部非定常间隙泄漏流动特性的影响,结果表明:该处理机匣的引入能够在不恶化压气机性能的前提下使得其流量裕度提高约6.5%。与实壁机匣结构相比,周向槽处理机匣减小了间隙泄漏流轴向动量,抑制了叶顶间隙泄漏流非定常性的出现,从而提高了压气机的稳定工作裕度。

端壁抽吸对压气机叶栅间隙泄漏流控制策略的研究

为了研究压气机机匣端壁抽吸对间隙泄漏流动控制的可行性和有效性,以高负荷压气机叶栅为研究对象,通过数值模拟方法对不同抽吸位置和抽吸流量率控制参数下的计算工况进行了对比和分析。研究结果表明:端壁抽吸可以直接地影响叶尖泄漏流的结构形态和存在形式,减弱叶尖泄漏流的强度和影响范围,进而提升压气机叶栅的性能;当抽吸槽覆盖范围包含叶尖泄漏流形成位置及稍靠后附近区域时,所对应的抽吸方案具有较好的控制效果,在0°攻角和0.5%的抽吸流量条件下前槽抽吸和中槽抽吸分别可获得7.04%和7.76%的叶栅总压损失增益;并且进一步研究发现端壁抽吸流量率存在上临界值,应针对不同攻角工况,在其相应的临界值范围内选择合理的抽吸流量,以达到用较小的吸气量实现对间隙泄漏流的控制。

翼梢小翼对涡轮间隙泄漏流动影响的数值研究

转子叶片叶尖增加翼梢小翼是控制涡轮间隙泄漏流减小泄漏损失的有效手段之一,为研究翼梢小翼位置对高压涡轮间隙泄漏流动的影响,利用数值模拟方法求解雷诺平均纳维-斯托克斯方程获得涡轮通道内的三维流场,并详细分析叶片压力边和吸力边增加翼梢小翼对间隙泄漏流及涡轮气动损失的影响。研究发现:压力边翼梢小翼可以降低间隙泄漏流量,但基本不改变间隙泄漏涡结构,对涡轮效率影响较小;吸力边翼梢小翼虽然对降低间隙泄漏流量作用不明显,但可以有效地抑制泄漏涡的生成和发展并削弱叶片吸力面壁面潜流,降低泄漏流动损失。结果表明:在控制间隙泄漏流动减小泄漏损失方面,吸力边翼梢小翼明显优于压力边翼梢小翼。

扫频式射流对涡轮叶栅间隙泄漏流动影响的数值研究

为控制涡轮叶栅中叶顶间隙泄漏流动和改善涡轮气动性能,将扫频式射流器(SJA)作为一种主动流动控制方法应用在涡轮叶栅的研究中。通过非定常数值计算,分析了SJA对涡轮叶栅叶顶间隙流动的作用过程以及作用机理,并且研究了不同工况下SJA对涡轮叶顶流场改善效果以及不同频率的SJA对叶顶流场的影响。结果表明:通过在涡轮叶栅上端壁增加单个SJA装置,可以有效地延迟上端壁的流动分离,其中最佳方案射流流量仅为进口总流量的0.35%,涡轮叶栅出口截面总压损失系数减少了11.48%。存在着最佳的频率284Hz,使SJA装置对流场的作用效果最佳,有效地改善了涡轮叶栅内的间隙流动。

转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移的动力学机制

为了揭示压气机转子节流时其叶顶间隙流动的演变趋势及其形成机理,选取某亚声速轴流压气机转子为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其内部流场进行了全三维数值模拟.结果表明:随着压气机转子流量减少,主流轴向动量减小,而在叶顶间隙两侧压力梯度和二次泄漏流的共同作用下,叶顶间隙泄漏流的轴向动量却不断增大,导致叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量比不断增大,从而推动叶顶间隙泄漏流与主流的交界面不断向上游移动,这意味着叶顶间隙泄漏流在叶顶通道内造成的流动阻塞区不断扩大,正是叶顶间隙泄漏流相对于主流的增强造成的叶顶流动阻塞区不断扩大最终导致了该压气机转子进入失速状态.

高压涡轮转子间隙泄漏流动的非定常特征研究

利用数值方法求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程模拟某跨声速高压涡轮流场,研究了某跨声速高压涡轮流场的非定常特征,通过详细分析动静干涉对间隙泄漏流动的影响,进一步明确了泄漏流周期性变化的规律和成因.研究发现:静子尾缘燕尾波的外侧分支外尾波是间隙内部流动结构变化的主要原因,间隙泄漏涡的周期性变化则受外尾波和尾迹的共同影响.外尾波深入转子通道内部周期性经过间隙,在间隙前缘附近产生很强的逆压梯度,使间隙前部流动方向明显改变而产生大范围分离.外尾波导致间隙泄漏流量明显增加并周期性震荡.在静子尾迹和外尾波共同作用下,泄漏涡强度出现波动且涡的位置前后移动,使泄漏涡呈现明显的非定常性.

轴流压气机叶顶间隙泄漏流的周向传播特性实验研究

在一台单转子低速轴流压气机上,以叶顶间隙泄漏流非定常性为切入点,通过实验测量沿弦向和周向的壁面非定常压力,分析了叶顶端区非定常波动特征沿叶片弦长的调频特性。研究了占主导地位的叶顶间隙泄漏流非定常波动沿周向的传播特征,进一步分析叶顶间隙泄漏流非定常性波动到失速先兆信号产生的演变规律。实验结果表明,由叶顶间隙泄漏流非定常性波动主导的叶顶端区流场在压气机节流过程中,其周向传播速度逐渐增加,直到失速先兆的产生。由此可以判断,叶顶间隙泄漏流非定常性是失速先兆信号分析和预测的流场依据,为澄清和理解叶顶间隙泄漏流非定常和失速先兆至失速的不同流动特征的统一流体力学机理提供指导。

传热对微型离心叶轮间隙泄漏流动影响的数值研究

针对某微型燃气轮机的微型离心叶轮,采用三维数值模拟方法,将绝热壁面情况和考虑传热影响情况下的叶轮性能和内部流场进行对比研究,重点分析壁面传热情况对微型离心叶轮间隙泄漏流动的影响.研究发现:传热对叶轮性能的影响主要集中在其对间隙泄漏流的作用上.绝热条件下间隙泄漏流轨迹沿叶片吸力面向下游发展,传热则使得间隙泄漏流动迹向相邻叶片压力面偏转,增强间隙泄漏流与主流的掺混导致间隙泄漏流损失增大.与绝热情况相比,传热虽然在一定程度上减弱了叶片通道内的压力梯度,但由于热量的传入会导致间隙泄漏流初始堵塞增大,最终仍会在叶片通道内造成更大的间隙泄漏流堵塞.

汽轮机动叶栅内泄漏流动特性及损失分布

针对汽轮机间隙蒸汽泄漏的注入对动叶栅气动性能和损失的影响,以带有叶顶和静叶环汽封的某汽轮机高压级模型为例,分析不同汽封齿顶间隙下汽轮机动叶栅内泄漏蒸汽与主蒸汽的掺混作用、高损失区域体熵增率的变化规律和对轴功率和级效率的影响。结果表明:泄漏蒸汽的影响区域主要集中在叶片的吸力面附近,且泄漏蒸汽流经动叶通道时,其影响范围不断向叶中扩展。高损失区域沿径向集中在上、下叶端附近;沿轴向集中在动叶吸力面中部和叶片前缘处。随蒸汽泄漏量增加,高损区损失量越大,在叶片径向和轴向上的影响范围越大。在齿顶间隙增加时,由叶顶和静叶环漏汽分别导致的动叶栅高损失区的变化趋势相反。汽封齿顶间隙扩大至设计尺寸2倍,级功率下降约1.06%,级效率下降约1.49%。

间隙流触发压气机内部流动失稳机制及周向槽扩稳机理

利用高频响动态压力传感器对某低速轴流压气机转子的失速先兆和顶部流场进行了详细的测试,探明该压气机内部存在与叶顶间隙泄漏流相关的突发型失速先兆,对压气机转子内部流场进行了单通道定常和非定常数值模拟,详细分析了压气机内部流动失稳过程中顶部流场结构的变化,揭示顶部间隙泄漏流触发轴流压气机内部流动失稳机理.在此基础上,利用周向槽处理机匣结构对顶部间隙泄漏流进行控制,并探讨了周向槽处理机匣结构提高压气机稳定工作裕度机理.

离心压气机轮缘压力及间隙泄漏非轴对称现象研究

蜗壳通常被设计成螺旋状结构,其几何结构的周向不对称诱发蜗壳内部流场周向分布不均匀现象,会对压气机内部流场造成显著影响.采用试验和数值结合的方法,对两种流量工况下离心压气机内部的非轴对称流动特性进行研究.结果表明:压气机轮缘静压在周向上的分布具有与蜗壳内部相同特征的非轴对称形式;下游流场畸变在向上游逆向传播过程中对上游的影响逐渐减弱;叶轮出口轮缘周向的高压区传播至叶轮进口时,与叶轮出口高压区的周向位置存在相位差.在不同流量工况下,轮缘周向静压分布不均导致叶顶间隙泄漏流在周向的分布存在差异.在小流量工况下,泄漏流量呈现先减小后增大再减小的波动分布;在大流量工况下,泄漏流量呈现先增大后持续减小分布.

轴向斜缝机匣处理与转子通道之间耦合流动分析

轴向斜缝机匣处理能够有效地扩大压气机的稳定工作范围,本文对轴向斜缝处理机匣与亚音速压气机转子通道之间的耦合流动进行了时间精确的全三维数值模拟,数值结果所获得的总性能与试验结果符合较好。详细分析了处理机匣与转子通道之间非定常干涉现象以及处理机匣结构引入后转子顶部区域不同的流场结构,数值计算结果表明,对具有高损失高阻塞效应的间隙泄漏流及其间隙泄漏涡的控制是轴向斜缝机匣处理扩大压气机稳定工作裕度的主要原因。

跨音轴流压气机自循环喷气扩稳试验研究

轴流风扇／压气机稳定性控制一直叶轮机械领域迫切需要解决的难题，特别是对于内部流动复杂的跨音转子。提出以自循环喷气方式作为控制手段，并在一台单级跨音风扇／压气机上进行试验研究。试验中通过白行设计自循环机构在压气机上进行基于自循环的叶顶喷气研究，并考察不同抽气角度和喷气偏航角对压气机稳定裕度和效率的影响，并通过测量机匣壁面非定常压力信号对跨音压气机自循环喷气机构中前端喷气的扩稳机理进行分析。试验结果表明：自循环喷气能够有效拓宽跨音压气机的流动失稳裕度，并取得了8％～15％的扩稳效果，而且能够略微提高压气机峰值点的效率。另外，通过功率谱密度分析，前端叶顶喷气的扩稳机理仍然是影响叶顶间隙泄漏流的非定常性。

叶顶凹槽间隙气膜冷却的传热数值研究

采用三维气热耦合数值模拟方法,分析了凹槽间隙底面受到泄漏流冲击的流动特性,对气膜冷却参数对凹槽间隙气膜冷却换热效果的影响进行了研究,探讨了吹风比、冷却孔位置、冷却孔角度对壁面换热的影响,并结合三维流固耦合计算,研究了叶顶气膜冷却方式对叶顶表面传热的影响。结果表明,冷却孔位于间隙流动冲击凹槽底面上游位置能有效降低壁面Nu数,获得较低的叶片表面平均温度,此时大吹风比效果更好;所选取的冷却方式使得E3高压涡轮第一级动叶的最大无量纲温度降低了0.156。

叶顶形状对动叶顶部流动和传热的影响研究

应用数值方法和标准k-ω湍流模型,研究了燃气轮机轴流透平不同叶顶密封方式对透平动叶顶部间隙内流动与传热的影响.计算叶型采用GE-E3发动机高压透平第一级动叶片,考虑了4种不同的叶顶密封方式.详细分析了不同叶顶密封时叶顶的流动结构和传热分布.研究了旋转对动叶顶部流动和传热的影响,并与静止的平面叶栅中获得的结果进行了对比.结果表明:不同叶顶密封方式对叶顶间隙泄漏流场影响很大;双侧肩壁密封具有最好的密封性能,而压力面肩壁密封性能最差;采用吸力面肩壁密封获得了最低的叶顶传热系数,压力面侧肩壁密封的叶顶传热系数则最高;相对于静止叶栅,旋转改变了叶顶泄漏流动结构,增加了叶顶的传热系数.

轴流压气机叶顶喷气扩稳机理试验研究

轴流压气机叶顶喷气已经被证实能够有效拓宽压气机的失稳裕度。在一台低速单转子轴流压气机上进行叶顶喷气试验研究,采用喷气动量比作为衡量失速裕度改善的指标,并通过改变叶顶间隙和喷气角度对不同喷气量的扩稳效果进行分析,试验中发现随着叶顶喷气动量比的增加,压气机失速裕度的变化会出现两个拐点,即存在两个喷气动量比分界点,并将喷气动量比分界点前后的三个阶段对应的喷气量分别定义为微喷气,大喷气和超大喷气。通过试验测量压气机进出口气动参数以及壁面动态压力信号对喷气动量比分界点前后叶顶喷气扩稳机理进行详细的分析。试验分析结果表明:微喷气扩稳仅仅是因其能够减弱叶顶间隙泄漏涡和叶顶间隙泄漏流非定常性;大喷气则能够同时减小进口气流攻角,推迟叶片吸力面分离和抑制叶顶间隙泄漏涡,推迟叶顶间隙泄漏流非定常性的产生;超大喷气虽能够推迟叶顶间隙泄漏流非定常性的产生,但喷气的影响区域已严重向叶片通道内部转移,甚至影响了压气机的做功能力。