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叶尖小翼结合凹槽调控压气机叶顶泄漏流动研究

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叶尖小翼结合凹槽调控压气机叶顶泄漏流动研究

作者：赵傲大连海事大学

学位级别：硕士

压气机作为航空发动机的核心部件之一,减少其流动损失提高气动性能是目前国内外航空航天领域的重点研究方向。自上世纪五十年代以来,关于合理的调控压气机叶尖泄漏,改善压气机叶尖复杂流动,进而减少压气机减少流动损失,对压气机整体性... 详细信息

压气机作为航空发动机的核心部件之一,减少其流动损失提高气动性能是目前国内外航空航天领域的重点研究方向。自上世纪五十年代以来,关于合理的调控压气机叶尖泄漏,改善压气机叶尖复杂流动,进而减少压气机减少流动损失,对压气机整体性能的提升十分重要。而叶尖小翼技术作为一种有效的被动控制方法也受到了广泛的关注。叶尖小翼在增加叶片重量的同时也增加了叶顶宽度,这为在压气机叶顶开槽奠定了基础。本文主要工作内容如下:首先,采用数值模拟方法研究了跨声速压气机转子NASA Rotor35附加不同安装方式(压力面、吸力面)及不同凹槽深度(0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm)凹槽型叶尖小翼的气动特性,探究了叶尖小翼结合叶顶凹槽的扩稳机理。研究结果表明:随着凹槽深度的增加,压气机转子失速裕度先增大后减小,存在最佳深度的凹槽型压力面小翼使压气机转子失速裕度增加5.4%。凹槽型压力面小翼方案中压气机转子叶尖负荷降低,叶尖泄漏涡强度减弱,转子叶尖通道激波后移,降低了波/涡干涉强度同时抑制了叶片吸力面附面层分离是其扩稳的机制所在。而吸力面凹槽型叶尖小翼方案使压气机转子的失速裕度减小,凹槽起到了调控叶顶泄漏流动的作用,但增加了通道激波强度,流动损失增加。其次,对变转速(90%设计转速、70%设计转速)工况下平顶型及凹槽型压力面叶尖小翼方案的跨声速压气机转子进行了深入分析。研究结果表明:在100%转速及90%转速工况下,压气机转子失稳主要是由于涡/波干涉阻塞通道和激波/附面层相互作用导致的附面层分离。但70%转速下压气机转子失稳的主要原因是泄漏流从相邻叶片前缘溢出。凹槽型压力面小翼减弱了激波/泄漏涡相互干涉的强度,使泄漏涡流动位置更加靠近叶片中部,增大了主流的有效流通面积。最后,对三种不同叶顶间隙(0.36%chord、0.73%chord、1.5%chord)下的跨声速压气机转子进行了深入分析。结果表明:随着叶顶间隙的增大,原型及凹槽型小翼方案跨声速压气机转子的气动性能均有所降低,失速点流量增大。小间隙时,凹槽状小翼对附面层分离有削弱的作用,但由于间隙过小对叶尖泄漏流的调控效果不明显,无法抵消由于凹槽而产生的流动损失,导致了跨声速压气机叶片提前失稳。大间隙下,凹槽型小翼转子的失速裕度增加了13.8%。凹槽状小翼减弱了涡/波干涉作用,且随着叶顶间隙的增加,槽状小翼对涡/波干涉作用和附面层分离的削弱效果越明显。

关键词：叶尖小翼凹槽压气机叶顶泄漏流动

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动叶顶部泄漏流动特性及汽封结构优化研究

化工设备与管道 2021年第5期58卷 48-53页

作者：李锡明曾佑杰杭州中能汽轮动力有限公司汽轮机研究所杭州310018

以某汽轮机低压段第一扭叶级为研究对象,对不同动叶顶部汽封结构的泄漏流动进行数值分析,绘制泄漏量与动叶效率随顶部间隙及压比的变化曲线。结果显示,在顶部间隙小于1 mm时,简化的迷宫汽封结构能够减少50%的泄漏量,动叶效率提高1.5%~2... 详细信息

以某汽轮机低压段第一扭叶级为研究对象,对不同动叶顶部汽封结构的泄漏流动进行数值分析,绘制泄漏量与动叶效率随顶部间隙及压比的变化曲线。结果显示,在顶部间隙小于1 mm时,简化的迷宫汽封结构能够减少50%的泄漏量,动叶效率提高1.5%~2.5%。在迷宫汽封中添加周向阻流孔板,优化后的结构较迷宫汽封流量系数平均下降20%,对比显示,优化后汽封结构的流量系数对转速更加敏感。

关键词：叶顶泄漏动叶效率汽封阻流孔板流量系数

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排尘孔涡轮冷却叶片叶顶流动与传热研究

机械工程学报 2012年第8期48卷 122-127页

作者：虞跨海杨茜岳珠峰河南科技大学规划与建筑工程学院洛阳471003 西北工业大学材料学院西安710072 西北工业大学力学与土木建筑学院西安710072

涡轮叶片叶顶排尘孔用于清除冷气中掺杂的尘粒,以保证气膜孔和冲击孔的可靠工作,但排尘孔射流引起叶顶流动和传热问题。采用参数化方法建立有、无排尘孔涡轮冷却叶片几何模型,基于包含叶片主体、主燃气通道和三腔回流式内冷却通道的全... 详细信息

涡轮叶片叶顶排尘孔用于清除冷气中掺杂的尘粒,以保证气膜孔和冲击孔的可靠工作,但排尘孔射流引起叶顶流动和传热问题。采用参数化方法建立有、无排尘孔涡轮冷却叶片几何模型,基于包含叶片主体、主燃气通道和三腔回流式内冷却通道的全局模型,采用流热耦合数值分析,开展排尘孔对涡轮冷却叶片叶顶流动与传热问题的初步研究。研究结果表明,对比有、无排尘孔叶片,排尘孔射流可降低叶顶平均温度约25 K;冷却通道对流换热作用和叶顶排尘孔射流可使叶顶平面降温400～600 K,冷却效果与冷却通道冷气流量和尘孔结构在叶顶位置相关;排尘孔叶顶射流对叶顶间隙高温燃气泄漏具有阻碍作用,可以提高叶片总压恢复系数约0.5%～1.5%,随着冷气流量的增大,这种作用增强;尘孔结构设计应兼顾射流对叶顶流动与传热的共同影响。

关键词：排尘孔冷却叶片流热耦合叶顶泄漏叶顶冷却

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轴流泵内部流场的二维粒子成像测速试验

农业工程学报 2013年第23期29卷 93-98,F0004页

作者：张华施卫东陈斌张德胜胡啟祥江苏大学流体机械工程技术研究中心镇江212013 合肥工业大学化工机械研究所合肥230009

为研究0.8Qopt工况下,叶轮及导叶进出口的流场分布情况,选择比转速ns=700的轴流泵进行模型缩放,并对其进行结构改造,以得到能够适合于2D-PIV内部流场测试的试验台。结构改造包括:采用透明的有机玻璃材料代替传统金属材料,达到内部可视... 详细信息

为研究0.8Qopt工况下,叶轮及导叶进出口的流场分布情况,选择比转速ns=700的轴流泵进行模型缩放,并对其进行结构改造,以得到能够适合于2D-PIV内部流场测试的试验台。结构改造包括:采用透明的有机玻璃材料代替传统金属材料,达到内部可视化的目的;将传统的锥形扩散式导叶体设计成圆柱状,以减小光学折射的复杂程度;合并转轮室及导叶外筒壁,使之成为一个整体,以消除叶轮区域与导叶区域之间法兰对内部流场的遮挡;将导叶内轴承后移,并加装筋板,使得载荷能够顺利传递到基础中。综合以上手段,成功改造了试验泵段。在PIV试验过程中,利用轴编码器及同步装置,取得了很好的同步效果。同时,以有机玻璃空心球作为示踪粒子,配合新的标定方式,取得了理想的试验效果。从试验结果分析可知:在0.8Qopt流量下,叶轮进口边外缘处受叶顶泄漏影响,使得该处来流向轮毂侧偏转,但叶轮进口前端截面上的流场整体分布较为均匀;叶轮轮毂与导叶轮毂之间存在的顺时针方向漩涡,对叶轮出口边根部附近的流场造成较大的影响,且叶轮出口边与导叶进口边轴向间隙内的流场具有整体向外缘偏转的趋势;导叶出口以后的流线方向则向轮毂侧偏转,且在出口边外缘处出现局部高速区域。

关键词：流场泵试验轴流泵小流量泵段改造 PIV 叶顶泄漏轴向漩涡

可控转速机匣转动方向对高负荷压气机级稳定性的影响

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推进技术 2023年第8期44卷 17-27页

作者：钟兢军胡义赵傲吴宛洋上海海事大学商船学院上海201306

可控转速机匣是一种新型的机匣处理方法,将机匣设计为可转动环段与固定环段两个部分,可转动环段会对转子叶顶区域的气流施加周向附加作用力并改变叶顶区域的周向压力梯度,进而对压气机级的稳定工作裕度产生影响。针对可转动环段在不同... 详细信息

可控转速机匣是一种新型的机匣处理方法,将机匣设计为可转动环段与固定环段两个部分,可转动环段会对转子叶顶区域的气流施加周向附加作用力并改变叶顶区域的周向压力梯度,进而对压气机级的稳定工作裕度产生影响。针对可转动环段在不同转动方向下的数值研究结果表明:当可控转速机匣与转子转动方向相反时,叶顶区域周向压力梯度的增大,加剧了转子的叶顶泄漏程度,泄漏涡及其破碎后气流的流动轨迹向相邻叶片压力面偏移,导致静子进口冲角逐渐减小至负冲角,压气机级失速提前。而当可控转速机匣与转子转动方向相同时,叶顶区域的周向压力梯度减少,降低了叶顶泄漏流动的原始驱动力,同时转子叶顶区域的泄漏涡及破碎后气流的流动轨迹远离相邻叶片压力面,通流能力增强。但静子进口冲角的增加使得静子吸力面分离加剧,限制了其扩稳能力的进一步提高,压气机级的稳定工作裕度最大可提升45.44%。

关键词：压气机可控转速机匣叶顶泄漏稳定工作裕度数值研究

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氦压气机转子叶顶间隙结构研究

哈尔滨工程大学学报 2019年第5期40卷 938-943页

作者：田志涛郑群姜斌赵文峰段昱哈尔滨工程大学动力与能源工程学院黑龙江哈尔滨150001

为了解决高负荷设计方法导致高负荷氦气压气机叶顶泄漏问题,本文采用数值模拟的方法,对氦压气机转子叶顶间隙泄漏涡形成机理、转子上端壁间隙结构控制机理及其对叶顶间隙泄漏涡的控制作用进行了研究。结果表明:氦压气机转子叶顶前缘单... 详细信息

为了解决高负荷设计方法导致高负荷氦气压气机叶顶泄漏问题,本文采用数值模拟的方法,对氦压气机转子叶顶间隙泄漏涡形成机理、转子上端壁间隙结构控制机理及其对叶顶间隙泄漏涡的控制作用进行了研究。结果表明:氦压气机转子叶顶前缘单侧槽对叶顶间隙泄漏损失的控制效果最为明显;槽的坡度为30°时,氦压气机转子的性能改善幅度最大;叶顶间隙越大,叶顶前缘单侧槽的有效性越强,当叶顶间隙为1 mm时,能够使压气机转子的绝热效率提高0. 15%。该研究能有效控制叶顶间隙泄漏损失,提高压气机设计点性能。

关键词：氦压气机高负荷设计数值模拟单侧槽叶顶泄漏间隙结构绝热效率

叶端加不同小翼对Krain离心叶轮气动性能影响的数值研究

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西安交通大学学报 2019年第11期53卷 49-55页

作者：陈亚莉孙中国唐永洪赵阳西安交通大学能源与动力工程学院

为了控制离心压气机叶顶泄漏流,以压比为4.7的Krain低速叶轮为研究对象,将叶尖小翼技术应用到离心压气机中,采用数值模拟对其性能进行分析研究。对3组不同间隙加装不同宽度的小翼,分析了小翼在不同间隙下对于压气机性能及失速裕度的影响... 详细信息

为了控制离心压气机叶顶泄漏流,以压比为4.7的Krain低速叶轮为研究对象,将叶尖小翼技术应用到离心压气机中,采用数值模拟对其性能进行分析研究。对3组不同间隙加装不同宽度的小翼,分析了小翼在不同间隙下对于压气机性能及失速裕度的影响,以及不同宽度的小翼对于叶顶泄漏量、泄漏涡结构及轨迹的影响。结果表明:小翼结构可提升压气机的失速裕度,且小间隙下小翼结构对失速裕度的提升效果显著,其中1.0倍宽度小翼的失速裕度增加了8.73%;小翼结构可有效减少叶顶泄漏量,在叶片靠近前缘或尾缘位置加装小翼改善效果显著,泄漏量与小翼宽度成反比关系;小翼结构使得泄漏涡运行轨迹向压力面移动,形成泄漏涡的位置更加远离前缘,泄漏涡强度减弱。

关键词：离心压气机叶尖小翼失速裕度叶顶泄漏泄漏涡轨迹

多腔室凹槽对涡轮叶顶流动传热特性影响的数值研究

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推进技术 2022年第10期43卷 313-321页

作者：杜昆李华容王力泉高媛媛刘存良西北工业大学动力与能源学院陕西西安710072 西北工业大学太仓长三角研究院江苏太仓215400 西北工业大学陕西省航空动力系统热科学重点实验室陕西西安710129 西北工业大学西北工业大学-喀山国立技术大学先进航空发动机热结构国际联合实验室陕西西安710129

为降低叶顶热负荷,抑制泄漏流,以GE-E^(3)第一级叶栅为研究对象,将肋条结构应用到动叶顶部中,通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)方程和k-ω湍流模型,研究了多腔室凹槽对叶顶流动传热性能的影响。研究结果表明:随着肋... 详细信息

为降低叶顶热负荷,抑制泄漏流,以GE-E^(3)第一级叶栅为研究对象,将肋条结构应用到动叶顶部中,通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)方程和k-ω湍流模型,研究了多腔室凹槽对叶顶流动传热性能的影响。研究结果表明:随着肋条结构数目增多,常规凹槽由更多小腔室组成,叶顶换热系数逐渐减小。与平叶顶相比,具有格栅结构的多腔室凹槽叶顶其叶顶换热系数显著降低。凹槽腔室内刮削涡可有效降低泄漏流量,不同多腔室凹槽叶顶的泄漏流质量流量有着不同程度的降低。格栅结构在凹槽中起到“气动篦齿”作用,在0~20%的流向区域内泄漏流控制效果显著。

关键词：涡轮动叶多腔室凹槽传热特性叶顶泄漏数值模拟

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叶顶射流对涡轮流场及气动性能影响

工程热物理学报 2011年第10期32卷 1665-1668页

作者：李文董平陈海生谭春青中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院研究生院北京100190

通过对带有前缘气膜冷却的C3X涡轮叶片的传热和气动试验结果进行计算验证,表明所使用计算方法在对带有冷却射流的跨音涡轮压力及温度进行的预测具有较高的精度,在此基础上针对某型发动机低压涡轮,通过CFD数值模拟研究其叶顶冷却射流对... 详细信息

通过对带有前缘气膜冷却的C3X涡轮叶片的传热和气动试验结果进行计算验证,表明所使用计算方法在对带有冷却射流的跨音涡轮压力及温度进行的预测具有较高的精度,在此基础上针对某型发动机低压涡轮,通过CFD数值模拟研究其叶顶冷却射流对叶顶泄漏流及涡轮性能的影响规律,并通过详细分析叶顶流动揭示该规律产生的原因;然后通过改变不同叶顶间隙大小,研究了间隙流和泄漏涡流动规律及叶顶间隙对叶顶冷却射流和透平性能影响,并通过其复杂流场分析揭示了其内在机理。

关键词：冷却射流叶顶泄漏低压涡轮叶顶间隙