周向弯曲方向对弯掠叶片小流量工况下气动-声学性能的影响

对周向弯曲低压轴流风扇的气动-声学性能进行了数值模拟和试验验证,讨论了不同流量和不同周向弯曲方向对叶栅做功能力、稳定工作范围和叶顶泄漏声源特性的影响规律.结果表明:随着流量减小,周向弯曲使叶栅叶顶区域栅的气流轴向做功能力增强,周向做功能力减弱,叶片负荷减小,周向后弯的效果最明显;周向前弯曲改善了端壁附近的流动状况,是拓宽叶轮的稳定工作范围的重要因素;周向弯曲可增加叶顶泄漏涡的稳定性,减弱叶顶泄漏涡区的Powell声源强度,周向前弯效果最好.叶顶泄漏声源特性随流量变化的规律与宏观声学表现一致.     

叶片的周向前弯角度对低压轴流风扇叶顶泄漏流场的影响

基于4个具有不同周向前弯角度叶片(前弯1.27°,6.1°,8.3°,12°)的低压轴流风扇,对叶顶泄漏流场进行了实验和数值模拟.利用雷诺平均N-S方程组加S-A一方程湍流模型对叶轮在稳定工况点处进行了三维粘性流场的数值计算,分析了叶顶处叶片表面压力的轴向分布,计算结果表明:随着叶片周向前弯角度的增加,叶顶泄漏涡的初始位置逐渐向叶片后缘移动.利用粒子图像测速仪(PIV)系统对叶轮的叶顶泄漏流场进行了实验测量,清晰地展示叶顶泄漏涡的发展过程,结果显示:随着叶片周向前弯角度的增加,叶顶泄漏涡的轴向位移"先减小后增大",周向位移"先增大后减小".     

汽轮机叶片正弯对叶顶间隙泄漏流动影响的数值模拟

以某汽轮机高压级动叶为研究对象,采用κ-ε湍流模型,应用SIMPLEC算法对在相同叶顶间隙高度下的常规扭叶片和正弯扭叶片的叶顶间隙流动进行了数值模拟。研究结果表明:与常规扭叶片相比,叶片正弯提高了汽流在叶顶区的最低压力值,减小了叶顶压力边与吸力边的横向压力梯度;汽流在正弯扭叶片吸力面附近形成的泄漏涡的影响范围和对通道主流的扰动弱于在常规扭叶片内形成的影响;正弯扭叶片使汽流在吸力面和压力面上形成了叶顶部正径向压力梯度、叶根部负径向压力梯度的"C"型压力分布,同时降低了叶片上端部附近的总压损失。叶片正弯既降低了叶顶泄漏损失,又降低了叶栅通道内的掺混损失。     

低压轴流风机周向弯曲叶片顶部间隙流动的数值分析

利用雷诺平均N-S方程组以及S-A一方程湍流模型对带有径向、周向前弯、周向后弯叶片的低压轴流风机在稳定工况点处进行了三维粘性流场的数值计算。在数值模拟结果与试验测量结果吻合的前提下，根据计算结果，分析了叶片吸力表面和压力表面在顶部的压力分布的特点，揭示了在叶顶到机壳壁面之间泄漏流的发展过程以及损失分布。对难以测量部分的数值分析，深入理解了叶片的周向弯曲大小及方向对顶部间隙流动和叶轮工作稳定性的影响，为进一步改进此类风机的设计提供了更充分的依据。图4表1参7     

周向前弯轴流风扇转子叶顶泄漏流动研究

以低压轴流风扇3个代表性的周向前弯角(前弯1.27°、8.3°和25°)的叶轮作为研究对象,对三维粘性流场进行了数值计算,并对出口损失进行了试验测量,计算与测量结果能够较好地吻合。结果显示,叶顶泄漏涡的起始位置随着叶片周向前弯角度的增加而沿叶弦后移,逐渐接近叶片后缘,但旋涡的强度并不是一直增大,达到某一前弯角度以后,泄漏涡由于受到叶片尾迹的影响而减弱。由此反映出,较大的前弯角度的叶轮,叶顶区域流动变得更加复杂,同时对上端部损失的影响因素增多,包括了泄漏涡、二次涡、尾迹以及它们之间的相互掺混。     

某氦气涡轮弯叶片设计方法研究

氦气涡轮高负荷、低展弦比的特点,导致端区损失占总损失的比例较高,尤其是动叶端区损失径向发展尺度较大,甚至会 主流流动。为优化某氦气涡轮气动性能和主流流动,采用数值模拟方法对动叶进行 弯曲设计研究,分别对比了正弯、反弯、反J型设计方法,研究结果表明：此氦气涡轮采用反J型设计效果最 佳,反弯 ,正弯最差。50%弯高、20°弯角的反J型设计为最佳设计点,不仅提高了涡轮级效率 ,优化了主 流流动,增强了做功能力,而且有更好的变工况特性,尤在流量为1.5kg ／s的低工况点,效率较原设计提 高2. 3个百分点。 关键词：氦气涡轮;弯叶片;通道涡;叶顶泄漏涡     

扭叶片正弯对叶栅通道内二次流动影响的数值分析

以某汽轮机高压级动叶为研究对象,采用κ-ωSST模型、SIMPLEC算法数值模拟了正弯扭叶片叶顶间隙泄漏涡的形成和发展过程及其对叶栅通道二次流的影响。结果表明:相对于常规扭叶片,汽流在正弯扭叶片吸力面附近形成的泄漏涡的影响范围和对通道主流的扰动变小,且叶顶间隙的增加削弱了正弯扭叶片吸力面的"C"型压力梯度,使得叶片两端部附面层厚度增加,造成了叶片端部损失的增大。     

前弯叶片对轴流泵噪声辐射性能的影响

通过改变叶片径向积迭线获得周向前弯0°与9°叶轮,采用大涡模拟(LES)方法以及声学边界与结构有限元耦合解法完成了轴流泵内部非定常流动及流动发声的数值模拟,研究了叶轮叶片周向前弯角(0°和9°)对轴流泵噪声辐射分布的影响,对比了不同叶片的轴流泵噪声辐射分布情况.结果表明:周向前弯9°叶轮叶片比周向前弯0°叶轮叶片产生的噪声降低了3 dB左右;将叶轮叶片前弯9°能降低轴流泵的水动力噪声.     

基于弯曲叶片的氦气轴流压气机优化设计

针对高负荷氦气压气机中角区分离、叶顶泄漏严重带来的效率损失问题,以单级氦气压缩机为研究对象,利用CFD方法,分析了不同弯曲角度下氦气压气机内部的角区损失和叶顶泄漏损失,并优化了现有五级轴流氦气压气机。结果表明：叶片正弯会增加端区处的静压,减少角区分离,进而降低角区损失;对动叶而言,在设计攻角下正弯也会增加前缘损失;动叶叶顶反弯使泄漏流远离下一个叶片的压力面,而合适的反弯角度可以降低叶顶泄漏量;选取合适的弯曲角度使五级轴流压气机设计点效率提高1.85%。     

叶尖小翼安装位置对轴流风机性能的影响

采用数值模拟方法建立了在压力面和吸力面分别安装宽度为2倍叶片厚度叶尖小翼的轴流风机模型,分析了叶尖小翼安装位置对轴流风机性能的影响.结果表明:压力面和吸力面安装叶尖小翼均能减小叶顶泄漏流;压力面安装叶尖小翼使叶顶泄漏涡增大,造成的气动损失增加,导致轴流风机全压和效率下降;吸力面安装叶尖小翼能有效减小叶顶泄漏涡,同时延缓其脱落,使其向远离吸力面偏移,减少造成的气动损失,使得轴流风机全压和效率提高,该轴流风机设计体积流量点全压效率提高了0.6%.     

汽轮机末级旋转不稳定性研究

基于汽轮机低压末级流动的非稳态数值计算结果,研究了低质量流量下低压末级流道发生的旋转不稳定现象。为了更好地了解在低流量下汽轮机运行的旋转不稳定性,采用低压末级整圈动静叶流道耦合排汽缸进行非稳态数值计算。发现末级动叶已经处于压气机状态并且流动的周向均匀性被破坏,以及在叶顶间隙泄漏流与主流的挤压下形成的泄漏涡撞击到毗邻叶片吸力面并发生溢出、形成二次泄漏流等情况。泄漏涡进一步影响叶片间叶顶前缘的压差分布,以长波的性质形成旋转不稳定。频谱分析捕捉到了旋转不稳定在绝对与相对坐标系下的旋转频率以及周向扰动个数。     

叶顶微射流对小型高负荷离心压气机性能及流场结构的影响

以某小型高速离心压气机为研究对象,采用数值方法研究了微射流对压气机性能和叶轮叶顶流场结构的影响。研究结果表明：射流为1%设计流量时,失速裕度能够提高3.12%,稳定工作范围拓宽28.17%;在设计点,原型离心压气机叶顶来流马赫数达1.8以上,叶顶存在复杂激波/间隙泄漏流干扰,工作稳定性较差,微射流改变了“λ”状的激波结构,使前缘激波的强度减弱,后掠角度减小,并且降低了叶顶的负荷水平;微射流能够抑制间隙泄漏流的周向运动,并削弱激波/间隙泄漏流之间的相互作用,间隙泄漏涡不易发生破裂、溃散,极大增强了压气机工作的稳定性。     

基于叶片弯掠技术的优化设计

在三维粘性流场的数值计算程序平台上,利用BP神经网络和遗传算法,通过叶片弯掠技术对一轴流风机的转子叶片的周向弯曲角度进行寻优,以使风扇的气动性能进一步提高。通过对比优化前、后的叶轮发现,优化之后的叶片呈现明显的周向前弯曲特征。测试结果显示,其全压和气动效率分别提高了3.56%和1.27%,失速裕度大幅度拓宽36%以上,上、下端部的损失进一步降低。     

高原工况压气机叶轮振动失效特征分析

针对高原工况下离心压气机叶轮振动失效问题,以某增压发动机压气机叶轮为研究对象建立仿真模型,使用非定常计算流体动力学方法分析高原共振工况下叶轮受到的气流激励时域与频域特征,并基于单向流固耦合,使用瞬态动力学与谐响应方法研究气流激励作用下叶轮共振响应特征,得出高原工况叶轮振动失效原因。结果表明,高原工况叶轮在4阶气流激励作用下发生共振,激励主要来源于叶片与蜗舌间的动静干涉作用,叶顶间隙泄漏流增大了吸力面20%弦长位置的压力波动。气流激励下叶轮共振导致叶片前缘振动应力升高,振动应力幅值达101.5 MPa,与实际叶片振动失效情况一致。     

凹凸前缘叶片气动性能与绕流流场数值研究

以NACA0018翼型为原始模型进行前缘结构设计,采用计算流体动力学(CFD)方法分析凹凸前缘结构参数对叶片绕流流动及气动性能的影响。结果表明:在0°～10°攻角范围内,凹凸前缘叶片气动性能与原始叶片基本一致,但在15°～25°攻角范围内,正弦波形凹凸前缘叶片升力系数最大提升20.2%;叠加波形凹凸前缘叶片在15°～25°攻角内,气动性能均有不同程度的下降,波峰处推迟分离,而在波谷分离提前,在吸力面每个波谷顺流方向叶片及展向形成反向涡对,相互卷吸并与主流掺混增加能量交换向尾缘处移动,改变了叶片原始流场反馈回路,阻碍了叶片展向涡及流向涡的发展。     

跨声速轴流压气机失速特性研究

为研究跨声速轴流压气机失速特性,采用节流阀门模型使跨声速轴流压气机Rotor35进入数值失速,得到了失速过程中的内部流场,捕捉到了失速团从产生到发展壮大的过程,发现失速起始于叶片顶部,逐渐向轴向、径向和周向发展,失速团绕着旋转轴以低于转子转速同方向旋转。通过对比不同时刻的流场特征,压气机进入失速时在转子的叶顶区域流场同时发生了"前缘溢流"和"尾缘回流"的现象。叶顶间隙泄漏流与叶片吸力面分离流形成的流道分离涡的不断发展扩大,最终使压气机完全失速。     

微型燃气轮机向心透平内部流动分析

对某2.6kW微型燃气轮机向心透平叶轮进行了全三维粘性数值模拟.分析了设计工况下通道中的二次流动现象、各个涡系的发展以及不同叶尖间隙对流动的影响.结果表明:通道内吸力面侧二次流动明显,由于通道涡、泄漏涡的共同作用,叶轮的损失主要集中于吸力面侧靠近叶顶区域;叶轮顶部间隙增加,透平叶轮通流能力下降较慢,而效率降低较快.由于刮削流的影响,使得径向间隙变化对透平效率和质量流量的影响要比轴向间隙更明显.     

抑制叶顶间隙泄漏的叶轮机械叶片的流场模拟

根据叶顶间隙流对叶轮机械的性能有重要影响这一特性,设计了一种叶片.该叶片顶部带有"燕尾冠",在叶顶的压力侧和吸力侧都形成"倒钩".通过对带有"燕尾冠"的叶片和一般的叶片的流场进行数值模拟,在同等条件下比较两者之间压气机的总体性能、流场特性以及叶顶间隙的泄漏量的区别,得到优化设计后的"燕尾冠"叶片能较好的保持住叶片表面的压力,削弱了叶顶间隙泄漏涡的产生和减少了通过叶顶间隙的泄漏量.数据结论为改进和提高叶轮机械的运转性能提供参考依据.     

机匣处理对子午加速轴流风机扩稳的机理研究

为揭示叶顶间隙泄漏流动的演变趋势以及前置凸台机匣处理对风机的扩稳机理,采用CFD方法对风机内部流场进行了数值计算,获得了叶顶间隙泄漏流与风机非稳定工作状态的关联及前置凸台机匣处理通过控制主流和叶顶泄漏流,提高风机稳定工作范围的机理。结果表明:随着流量的减小,叶顶间隙泄漏流与主流的交界面不断向上游移动,叶顶间隙泄漏流在叶顶通道内造成的流动堵塞不断扩大,最终导致该风机进入非稳定状态;在小流量时前置凸台机匣处理通过对主流阻挡使部分叶顶泄漏流绕过叶片前缘在相邻流道内往下游流动,减小下游的阻塞区域,从而对风机内部的流动起到一定的稳定作用。     

叶顶间隙宽度变化对离心叶轮性能和内部流场的影响

为研究不同宽度叶顶间隙对亚音速半开式离心叶轮性能与内部流场的影响,对某工业用半开式离心叶轮选用不同形式和几何参数的叶顶间隙,通过数值模拟得出结论:随叶顶间隙宽度减小,叶顶附近湍动能减少,离心叶轮通道压比和效率更高,但是失速裕度也变小;在本研究范围内,综合考虑性能和失速裕度,叶顶间隙宽度为0.4 mm时最优;叶顶间隙宽度对泄漏流和主流相互作用有一定影响;随叶顶间隙宽度减少,叶顶间隙泄漏流量减少,本文的分析结果为离心压缩机的工业设计提供了一定参考。