动力涡轮有冠及无冠动叶栅顶部二次流的数值分析

建立某动力涡轮的流体分析模型,采用三维定常N-S(Navier-Stokes)方程和带转捩的SST(Shear stress transport)湍流模型,对该动力涡轮典型工况下的燃气流动状况进行了数值模拟.针对叶道内的二次流旋涡结构,分别对无冠动叶栅和有冠动叶栅顶部的间隙流、通道涡进行了分析,展示了大展弦比非气冷动叶...     

全冠与部分冠轴流涡轮流动的数值模拟

采用数值模拟方法对某1.5级轴流带冠涡轮的流场进行了研究,分析了全冠、部分冠以及改进的部分冠密封的流场及总体参数。研究结果表明,相对于全冠密封,未改进的部分冠密封降低了涡轮的效率,而改进的部分冠使效率提高到与全冠基本相等。由于叶冠容腔泄漏流周向速度与主流速度不同,导致90%以上叶展出口气流角小于主流的出口气流角,与未改部分冠相比,改进的部分冠减小了这种气流角差别和掺混损失。未改部分冠前部存在压力面向吸力面的横向流动,这种流动造成很大的损失,而改进的部分冠密封减弱了这种横向流动。     

Experimental Investigation of Aerodynamic Performance due to Blade Tip Clearance in a Gas Turbine Rotor Cascade

This study examines how the complex flow structure within a gas turbine rotor affects aerodynamic loss. An unshrouded linear turbine cascade was built, and velocity and pressure fields were measured using a 5-hole probe. In order to elucidate the effect of tip clearance, the overall aerodynamic loss was evaluated by varying the tip clearance and examining the total pressure field for each case. The tip clearance was varied from 0% to 4.2% of blade span and the chord length based Reynolds number was fixed at 2×10⁵. For the case without tip clearance, a wake downstream of the blade trailing edge is observed, along with hub and tip passage vortices. These flow structures result in profile loss at the center of the blade span, and passage vortex related losses towards the hub and tip. As the tip clearance increases, a tip leakage vortex is formed, and it becomes stronger and eventually alters the tip passage vortex. Because of the interference of the secondary tip leakage flow with the main flow, the streamwise velocity decreases while the total pressure loss increases significantly by tenfold in the last 30% blade span region towards the tip for the 4.2% tip clearance case. It was additionally observed that the overall aerodynamic loss increases linearly with tip clearance.     

考虑叶顶泄漏的透平级非定常气动性能研究

针对存在动叶顶部间隙泄漏流的一级半透平级非定常流场,应用全三维黏性非定常数值模拟方法详细研究了动叶顶部间隙泄漏流气动特性,旨在揭示泄漏流与下游静叶栅的非定常干涉作用.结果表明：动叶顶部间隙泄漏流引发第二列静叶前缘85%叶展位置处静压波动;受相邻叶排间势干涉作用,第二列静叶50%叶展位置处的静压波动集中于流道中部;在第二列静叶出口截面,动叶顶部泄漏流引发的泄漏涡,其强度及空间分布并未随时间发生明显变化;汽封内的泄漏流静压随时间周期性波动,压力值的更新首先出现于下游并朝向上游流发展.     

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     

汽轮机低压缸进汽结构变流量工况气动性能的研究

为了探究传统轴向分流和新型环形空腔两种出口导流形式对一型进汽结构变流量工况下气动性能的影响,采用全三维数值模拟的方法对分别带有两种出口导流形式的进汽结构进行研究,并通过分析出口气动参数变化规律,获得二者的变流量性能特性.结果表明:二者在流动损失方面无明显差别,但带有环形空腔出口导流形式的进汽结构在出口气流角均匀度和马赫...     

汽轮机动叶顶部间隙泄漏流动特性的数值模拟

以一个小展弦比轴流透平级为研究对象,采用数值方法对不同动叶顶部间隙情况下的间隙泄漏流动进行了分析,研究了间隙流和间隙涡的形成、发展及其对透平级性能的影响.以三维流线和极限流线为手段,分析了6种间隙尺寸下动叶顶部的泄漏流和泄漏涡造成的损失及其与主流掺混的过程.结果表明:动叶顶部间隙两侧压力面和吸力面之间的压力差使汽流从压力面被吸入间隙,跨过叶顶,进入相邻叶栅通道的吸力面,导致泄漏流动;与无间隙的情况相比,叶顶间隙的存在使上端壁处的流场发生明显变化,引起损失迅速增长;随着间隙的增大,泄漏涡的产生位置提前,强度增大,从而导致更大的流动损失.     

带小翼肋条的涡轮叶尖泄漏流场的数值模拟

对叶尖吸力面带小翼肋条的某一轴流转子叶尖间隙泄漏流场进行了数值研究,分析了在不同肋条宽度下泄漏流场细节,并对涡轮效率进行了计算.结果表明:涡轮叶尖单吸力边小翼肋条总体上减小叶尖表面压差,使得吸力面后半部分泄漏流速度减小,从而减小泄漏流动损失,但会增大通道内流动损失,使涡轮转子效率下降;小翼肋条宽度有一个最佳值,小间隙下增大肋条宽度使得涡轮转子效率降低,大间隙下增大肋条宽度却使得涡轮转子效率提高;吸力边小翼肋条改变了叶尖吸力边附近的流场,对压力边附近泄漏流动结构影响不大.     

Numerical Simulation on Effects of Pressure Distribution of Wind Turbine Blade with a Tip Vane

It is important to study the pressure distribution on the blade and in the adjacent area while searching the poweraugmentation theory with adding a tip vane to the wind turbine.This paper shows the CFD simulation relation-ship of the pressure distribution on the rotor blade and in the adjacent area,after calculating the pressure of thedifferent chordwise and spanwise point on the blade with the tip vane-V(8.8x8) and without the tip vane under tipspeed ratio λ4.5.Combining the isobaric section figure in certain location,it can be seen that the tip vane im-prove the pressure difference between pressure and suction surface.The most influenced zone is found and thesecan further display the power augmentation theory of the wind turbine using the tip vane.The simulation calcula-tion was based on N-S equations.3-D,steady,implicit solver was chosen.Turbulence model was k-ω SST.Dis-cretization scheme is SECOND ORDER UPWIND.Pressure-velocity coupling was a typical SIMPLE scheme.Inthe whole grid system,two-divided grid formation was adopted,that is,inner region and outer region.Inner re-gion including rectangular solid blade and neighboring,outer region is semi-cylinder.There were together720,000 nodes with tetra-prism unstructured mesh.     

冷气孔流量对叶尖泄漏流动影响的研究

为研究冷气孔流量对涡轮叶尖泄漏流动的作用,采用数值模拟方法对比分析冷气流量比在0.05%～3%之间的三维流场和总压损失情况。结果表明：叶尖冷气可以有效地减小泄漏量和叶尖泄漏流动带来的总压损失,泄漏量下降达80%,总压损失峰值下降达38.2%;随着流量比的增加,叶尖冷气对叶尖主流泄漏流动的抑制效果不断增强,由主流带来的泄漏量不断减小;叶尖冷气也带来了新的总压损失,整体总压损失随着流量比的增加不断增大。叶尖冷气对叶尖泄漏的抑制模式分为3种：流量比在0.05%～0.1%之间,以降低主流泄漏流的能量减弱泄漏流动;流量比在1.25%～3%之间,以在叶尖区域形成完整的气膜屏障抑制主流泄漏流动,流量比在0.1%～1.25%之间,上述两种模式同时存在;流量比为1.25%时,冷气在叶尖区域形成一道完整的气膜屏障,阻碍主流流体形成泄漏流。     

涡轮叶栅叶顶间隙冷气掺混数值模拟

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式计算方法,对一具有真实冷气孔形状的涡轮级叶顶间隙冷气掺混流场进行了全三维N-S方程数值模拟,分析了在1%和2%间隙下冷气射流与间隙流动相互作用的运动机理以及冷气射流对间隙和叶栅流场的影响。结果表明,冷气喷射使得泄漏流动速度降低,在小间隙下运动轨迹偏转以及气动参数的变化都非常明显,轮榖表面可以获得低温保护。在大间隙下叶顶表面获得更好的冷却效果。     

汽轮机叶顶汽封间隙内的流动损失分析

为了揭示叶顶汽封结构变化对泄漏损失的影响,提高汽轮机运行效率,数值研究了平齿汽封、高低齿汽封和侧齿汽封3种不同叶顶汽封结构下汽轮机高压转子间隙泄漏的流动形态、间隙涡系的形成机理和发展规律,研究表明:在叶顶汽封腔室复杂的周向螺旋状的涡动中,泄漏流体的周向速度是影响漩涡耗散的一个重要因素;高低齿及侧齿的汽封结构可以增强漩涡之间的相互作用,降低泄漏流体的周向速度,使漩涡在腔室内的耗散更加充分;由于掺混损失降低,高低齿及侧齿汽封的泄漏总损失较平齿汽封相比分别下降7.1%和9.8%。     

向心透平内部流动的研究

对向心透平内部的流动进行了实验与数值的研究。蜗壳内采用单斜丝热线在同一位置旋转．在三个不同的方位测量后拟合计算得到气流的三维速度。在某些特征位置与数值结果的对比，说明了数值结果的可靠性与局限性。对导叶内的流动模拟，确定了入口角度对导叶内二次流动的影响。对叶轮内流动模拟，说明了叶顶泄漏流对主流的作用，以及叶轮内部壁角涡的形成与发展。这些工作对向心透平内部流动的认识提供了参考。     

常用湍流模型对某低速轴流压气机转子叶尖泄漏流的预测研究

为了研究常用湍流模型对轴流压气机转子叶尖泄漏流的预测能力,对某低速轴流压气机进行了实验研究及数值模拟,对比分析了不同湍流模型预测的转子叶尖泄漏流的流场分布、旋涡特性以及堵塞特性与实验结果的异同。结果表明：对于转子叶尖泄漏流的旋涡特性,在近失速点,k-ω模型预测的转子叶尖泄漏涡轨迹的斜率和位置在周向上的分布以及泄漏涡涡核的面积与实验结果最接近;对于转子叶尖泄漏流堵塞特性,在堵塞系数达到峰值之前,BSL模型的预测结果与实验结果最相近,而在堵塞系数达到峰值之后k-ε模型的预测结果与实验结果最相近,虽然k-ω模型预测的堵塞系数在整个流向位置都偏高,但堵塞系数沿流向的分布规律与实验结果吻合最好。     

四级轴流涡轮变工况数值分析

采用FINE／Turbo软件包,对一个四级轴流空气涡轮两种转速下的不同流量工况进行了全三维数值模拟,与实验数据进行了涡轮效率、压比以及级间参数分布的比较。结果表明,计算与实验结果在各种工况下的性能符合良好。本文还对设计流量及小流量工况下透平内的流动情况进行分析和比较,研究这两种典型工况下叶片表面极限流线图谱、间隙流动特征等的差异。分析表明,在小流量工况下,与通道涡对应的分离线住置和展向尺度都与设计工况存在显著差别,动叶顶部间隙涡的再附形式以及叶片压力面极限流线图谱也发生了较大变化。     

汽轮机叶顶间隙内非定常流动的数值分析

为了分析叶顶间隙泄漏涡的影响范围、运行轨迹和强度的变化规律,以某汽轮机高压级为研究对象,采用SSTκ-ω湍流模型,应用PISO算法对叶项间隙内的非定常流动进行了数值模拟．结果表明：叶顶间隙泄漏流是有规律的周期性的非定常流动,泄漏涡的影响范围、运行轨迹和强度随时间和叶顶间隙的变化而变化;泄漏流对主流的影响呈现出从弱到强、再从强到弱的周期性变化规律;叶顶间隙泄漏涡在丁／4时刻的强度和影响范围均达到最大,在T／2时刻,静叶脱落涡和动叶吸力面前部的泄漏涡混合形成新的涡系,而动叶吸力面后部的泄漏涡却与其边界层的脱涡混合,离开吸力面．     

车载燃机移动电源压气机设计

运用一套以“S2流面反问题设计”为核心的离心压气机设计体系,设计了某车载燃机双级离心压气机的低压压气机.通过三维CFD计算对气动设计进行数值模拟,结果表明设计的压气机流动情况良好,拥有较高的效率和稳定的工作范围,符合设计目标要求.     

凹槽式叶顶流动换热的数值研究

针对叶尖间隙高度对凹槽式叶顶流动与换热的影响展开数值研究,评估4种湍流模型在叶顶换热方面的预测能力.结果表明：凹槽肩壁顶部、凹槽腔底部近前缘区域和叶顶尾缘为高换热区,凹槽腔底的中部和尾部区域为低换热区;不同湍流模型对叶尖间隙泄漏量预测差别很小,但泄漏流流动状态差异很大,这是造成不同湍流模型对叶顶换热预测存在重大差别的原因;在研究的间隙范围内,叶尖间隙泄漏量和叶顶换热强度随间隙高度的增大而增加;在所选的4种湍流模型中,k-ω模型是叶顶换热数值模拟较好的湍流模型选择.     

小流量工况汽轮机末级流动不稳定数值研究

针对汽轮机低压末级在小负荷工况下出现的流动不稳定现象,进行了非定常数值模拟研究和分析。对末三级叶片耦合排气缸进行建模,其中末级采用整圈形式,对17%设计质量流量工况进行非定常计算,小流量工况下汽轮机末级表现出类似于压气机旋转失速的现象,对流场监控数据进行周向模态分解及相关分析,确定了扰动的数目为30个,其周向传播速度约为转子转速的56%。最后,结合内部流动特征对非稳定现象的形成机理进行了探讨,小流量下由于径向流动阻塞了通道,并在叶顶间隙射流的作用下形成了通道内的周期性高压区,而前缘溢流和叶顶间隙射流耦合作用促成了叶顶进口附近周期性低压区的形成。     

蜂窝汽封流场及泄漏特性的数值模拟研究

建立了蜂窝汽封三维流场数值模型,系统地分析了蜂窝孔径尺寸、蜂窝高度、入口压力等结构与运行参数对汽封流场及泄漏特性的影响.计算结果与分析表明,在运行参数不变的情况下,降低蜂窝孔径大小或增加蜂窝高度都有利于降低汽封泄漏量,提高密封效果.而在结构参数不变的情况下,汽封泄漏量随入口压力增大而增加,而随旋转速度增大出现减小的趋势.