具有叶顶间隙叶栅的拓扑与旋涡结构及其对损失的影响

详细测量了叶栅前、后和栅内诸横截面以及间隙中分面上的气流参数，对壁面（包括叶片表面和上、下端壁壁面）流场进行了墨迹显示。应用拓扑学原理分析了测量与显示结果，得出常规直叶栅和正、反弯叶栅壁面流场的拓扑结构及相应叶栅内流场的旋涡结构。通过这３种叶栅分析结果的对比，揭示了正弯叶片降低漏气损失的机理。     

叶片弯曲降低泄漏损失的实验研究

应用拓扑学原理分析了叶顶相对间隙为0．036的涡轮直叶栅与正、反弯叶栅的壁面流谱，发现正弯叶片栅与直叶片、反弯叶片栅吸力面上半叶展的拓扑结构明显不同，探讨了差别形成的机理及其对相对漏气量与总流动损失的影响。     

具有后部加载叶型的环形静叶栅的旋涡结构

为了详细研究具有后部加载叶型的环形静叶栅的流场结构，在环形叶栅低速风洞上对具有后部加载叶型的环形弯曲叶片静叶栅上、下端壁以及叶片型面进行了墨迹显示实验，同时应用拓扑学原理分析了叶栅的壁面流谱，并据此分析提出了本实验叶栅的二次流动的拓扑示意图。     

端壁附面层抽吸对扩压叶栅内分离结构的影响

根据拓扑学原理,提出了适合叶栅表面的奇点拓扑准则,并针对某压气机大折转角子午扩张型导叶的流场进行了数值模拟。为了比较端壁抽吸对叶片径向二次流的影响,分别对展弦比为2．53和0．3两套叶栅进行端壁抽吸,其中上下端壁的抽吸量均为1％。针对计算结果,利用叶栅表面奇点法则分析了附面层抽吸前后叶栅内分离形态的变化,给出了其拓扑。结果表明：靠近吸力面的端壁附面层抽吸改变了流场的分离性态,遏止了端壁角区的分离,并延迟和减小了吸力面的分离,从而在大部分叶高上使得叶片损失减小且沿径向分布趋于均匀.     

环形扩压叶栅弯叶片对流场性能的影响

对比研究了直叶片叶栅与弯叶片叶栅吸力面角区和下端壁流场显示的不同表现,发现弯叶片对角区分离流结构影响较大,它对减小端区马蹄涡尺度和减弱横向二次流作用明显。将不同叶栅中三维流向涡（通道涡和集中脱落涡）沿流向截面内的位置与强度作为研究对象,细致地分析了在采用弯叶片前后涡位置和强度的变化,分析表明两种涡的位置受弯叶片影响较大;通道涡沿流向的强度变化受弯叶片影响较为明显,而集中脱落涡强度受弯叶片影响却很小。来流马赫数、叶型折转角和稠度在一定范围内对弯叶片作用有规律性影响：当马赫数为0．7时,最佳弯角弯叶片降低损失7％．而马赫数为0．2时,最佳弯角弯叶片降低损失仅4％。     

端壁翘曲控制横向二次流应用研究

针对上/下端壁附面层厚度和流道前/后部流动参数变化程度的不同,以叶栅总压损失系数作为判断标准,择优选取了3套6种翘曲端壁,将它们分别应用于大焓降静叶栅。通过与传统圆柱面端壁叶栅相比较,数值研究了大焓降静叶栅上/下端壁均采用翘曲端壁对横向二次流的控制作用。数值结果显示,大焓降叶片上/下端壁的翘曲消弱了附面层与壁面的相互作用,降低了低总压区面积及其对应的涡量。上/下端壁区流动的总压损失分别降低大约22.0%和19.5%,并且对叶展中部的流动损失基本没有影响。     

非轴对称端壁抑制叶栅二次流分离的实验研究

应用热线测量和颗粒图像测速(PIV)技术,测量平端壁叶栅(FEW)和非轴对称端壁叶栅(CEW)的二次流动。基于叶栅内的涡结构和剪切应力,分析非轴对称端壁降低二次流损失的流动机理。实验结果表明:二次流在叶片吸力面的边界层分离导致壁面涡与主流流体的剪切掺混,这是叶栅二次流损失的主要来源;非轴对称端壁通过降低端壁横向压力梯度推迟二次流分离的发生,使壁面涡与主流区产生剪切掺混的范围缩小,并使端壁二次流的流向速度提高、壁面涡的强度降低,在上述两方面作用下叶栅内的剪切应力减小,叶栅二次流损失降低。     

汽轮机调节级动叶栅大负冲角工况下的三维分离流动研究

对大功率汽轮机组提出的承担调峰任务的要求使得调节级小展弦比动叶栅非设计工况下的二次流与分离流特性受到关注。采用经试验考核的计算方法对一展弦比为0．344的动叶栅在冲角条件下的三维分离流场进行数值模拟，得到了详细的叶栅二次流与分离流的流动图谱，并给出了气流的三维分离模式。计算结果表明：在大负冲角条件下，三维分离流动显著改变了叶栅二次流结构及出口气流参数沿叶高的分布规律。叶栅出口气流在下端壁附近发生明显的欠偏转现象，同时叶栅下部的损失急剧增加，流动的总损失比设计工况增大2倍，二次流损失增大4倍。图10参5     

矩形叶栅中叶片倾斜对二次流损失的影响

本文采用五孔束状测针和分布在叶栅上、下端壁及叶片表面的测压孔,对叶栅出口流场和上述表面上的静压分布进行了详细测量。实验结果证明:叶片的倾斜显著地改变了叶片表面尤其是吸力面上的静压分布,因而引起了叶栅中二次流损失的重新分布。     

弯叶片降低损失机理的实验研究

通过三类低展弦比涡轮叶栅气参数的详细测量与壁面（包括上、下端壁与叶片表面）流动显示,研究了叶片弯曲降低能量损失的机理。实验结果表明：在不叶栅几何参数下,叶片弯曲形式的选择取决于叶栅内涡量场与长量场的适量匹配。     

跨音速压气机叶栅中稠度对弯掠叶栅流场影响的数值分析

将一跨音速静叶栅数值计算结果与实验结果进行了比较,结果表明计算与实验结果吻合较好。为了讨论跨音速压气机中弯掠叶片的适用条件,在0°攻角下,稠度为1.75、1.50和1.25,对0~30°弯掠叶流场进行了数值分析,结果表明大稠度弯掠叶片的效果较为明显。弯掠叶片使前缘激波转化为斜激波,并减弱了通道激波的强度,因而降低了叶栅激波损失。可以验证在跨音速条件下稠度的大小是否在静叶栅中使用弯叶片的一个重要的参考因素。     

跨音速压气机中展弦比弯掠叶片气动性能影响的分析

将一跨音速静叶栅数值计算结果与实验结果进行了比较,表明计算与实验结果吻合的较好.为了讨论跨音速压气机中弯掠叶片适用的展弦比条件,在0°攻角下,展弦比为1.25、1.50和2.00,对0～30°弯掠叶片流场进行了数值分析,结果表明,当10°弯掠角时,小展弦比弯掠叶片对叶片性能影响较为明显;而在20°弯掠角时,大展弦比弯掠叶片对叶片性能影响较为明显.弯掠叶片使前缘激波转化为斜激波,并减弱了通道激波的强度,因而降低了叶栅激波损失.可以证明,在跨音速条件下展弦比的大小是如何使用弯掠叶片的一个重要的参考因素.     

采用弯叶片控制高负荷涡轮叶栅内附面层迁移的机理分析

对具有128.5°折转角的高负荷平面涡轮叶栅的内部流场进行了数值模拟.结合前期的实验结果,并利用拓扑学理论,详细分析了弯叶片对叶栅内附面层发展及旋涡运动的影响.结果表明,以通道涡为主的集中涡系在高负荷涡轮叶栅中部强烈掺混,使得中部的能量损失系数(0.56)明显高于端部(0.07),这是反弯叶片能改善此类叶栅整体气动性能的原因.对附面层迁移理论作了进一步讨论后指出,在高负荷涡轮叶栅内采用弯叶片减少二次流损失时应重点考察自由涡层的迁移.     

前加载和后加载叶片气动性能的数值研究

采用数值计算的方法对后加载和前加载叶片的气动性能进行了详细的分析,研究了无扭曲的叶片与弯曲叶片的压力系数分布以及负荷分布特性,分析了后加载和前加载叶栅内总压分布规律和总压损失沿叶高的变化情况.数值计算得到的后加载和前加载无扭曲的叶片中部压力系数分布与平面叶栅试验数据吻合良好,后加载弯曲叶片和前加载弯曲叶片的近叶顶、中部和近叶根处的压力系数分布与试验数据基本吻合.     

叶片弯曲对跨音速涡轮叶栅流场的影响

对均匀加载叶型所构成的直叶栅及不同弯角所构成的弯叶栅流场进行了数值模拟。研究了弯叶片作用下型面压力分布、马赫数等值线及叶片表面压力分布的改变,同时考察了叶片弯曲对马蹄涡及通道涡生成位置的影响。叶片正变后有助于减少端壁处的横向压力梯度,削弱端壁二次流动;另外叶片正弯后会使马蹄涡起始分离点位置向流道中间偏移,促使通道涡提早发生。本文所选用的差分格式为具有ＴＶＤ性质的三阶精度的Ｇｏｄｕｎｏｖ格式,湍流模型为修正后的Ｂ－Ｌ代数模型。     

平衡态计算模型分析低压末级叶片

大容量冷凝机组的低压末级叶片的长度代表了汽轮机制造商的设计制造水平和能力,同时效率高、安全性能好、长度更大的叶片符合国家节能降耗的产业发展目标.本文采用平衡态计算模型对汽轮机低压末级叶片蒸汽流动状态进行数值模拟分析,根据不同叶高处极限流、载荷、熵的分布情况分析,表明在末级动叶根部存在去湿和涡流问题、末级静叶顶部存在涡流和摩擦损失.因此在今后的末级叶片优化时必须重点加以改进.     

新型大功率汽轮机中压马刀型叶片的技术开发

采用先进CFD技术,在原有可控涡叶片基础上,通过优化叶片的径向积叠规律,开发了新型大功率汽轮机的中压马刀型叶片。应用该叶片能使叶栅通道端部产生逆压力梯度,减少二次流损失,提高中压缸的流动效率,降低整机热耗。该叶片的应用具有较大的经济效益。     

Aerodynamic performance of bowed compressor cascades with different camber angles

The effects of a positively bowed blade on the aerodynamic performance of annular compressor cascades with different camber angles were experimentally investigated. The distributions of the exit total pressure loss and secondary flow vectors of the compressor cascades were analyzed. The static pressure was measured by tapping on the cascade surfaces, and the ink-trace flow visualizations were conducted. The results show that the value of the optimum bowed angle and optimum bowed height decrease because of the increased losses at the mid-span with the increase of the camber angle. The C-shape static pressure distribution along the radial direction exists on the suction surface of the straight cascade with larger camber angles. When bowed blade is applied, the larger bowed angle and larger bowed height will further enhance the accumulation of the low-energy fluid at the mid-span, thus causing the flow behavior to deteriorate. Under 60° camber angle, flow behavior near the end-wall region of some bowed cascades even deteriorates instead of improving because the blockage of the separated flow near the mid-span keeps the low-energy fluid near the end-walls from moving towards the mid-span region. As a result, a rapid augmentation of the total loss can easily take place under a large bowed angle.     

低速条件下展弦比对弯叶片扩压静叶栅流场性能的影响

为观察弯叶片在扩压叶栅中的适用条件,在保持其它条件不变的情况下,对一直列叶栅三种展弦比条件下的弯叶片流场进行了数值模拟。结果表明叶栅展弦比的大小对弯叶片在扩压叶栅中的作用影响较大,若展弦比增加,弯叶片改善叶栅性能的作用将增强。大展弦比叶栅中强弯叶片明显提高了吸力面角区密流系数的大小,从而改善了近端区的流场性能。在扩压叶栅中弯叶片可均化流场参数沿径向的分布,而在大展弦比叶栅中流场参数的径向分布差异较大,这应该是弯叶片在大展弦比叶栅中作用明显的主要原因。