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旋转爆轰波与涡轮平面叶栅相互作用数值模拟

推进技术 2022年第9期43卷 294-304页

作者：李群武郁文翁春生魏万里徐高南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压特性,可提高热力循环效率,因此将旋转爆轰燃烧室应用于燃气轮机可进一步提高系统的性能。基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法,采用剪切应力输运k-ω湍流模型,建立旋转爆轰燃烧室与涡轮平面叶栅耦合计算模... 详细信息

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压特性,可提高热力循环效率,因此将旋转爆轰燃烧室应用于燃气轮机可进一步提高系统的性能。基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法,采用剪切应力输运k-ω湍流模型,建立旋转爆轰燃烧室与涡轮平面叶栅耦合计算模型,研究旋转爆轰燃烧室内的复杂波系与涡轮叶片的相互作用,分析涡轮叶栅对高频爆轰压力振荡的抑制作用。结果表明:旋转爆轰燃烧室内的燃气在涡轮叶栅内加速,并且在斜激波后的局部区域马赫数的增加更为明显。斜激波与涡轮静转子叶片的前缘、压力面、吸力面以及尾缘相互作用,由于旋转爆轰波不同的传播方向,使得斜激波与静子叶片呈相互垂直或平行,进而形成两种不同的波系结构。涡轮叶栅对高频压力振荡存在明显的抑制作用,涡轮叶栅上下游高频压力振荡幅值的衰减率达到80%以上。研究结果展示了旋转爆轰波作用下涡轮叶栅内复杂波系结构特征,并对基于爆轰燃烧推进技术的应用提供了一定的理论基础。

关键词：旋转爆轰燃烧室涡轮平面叶栅反射激波压力振荡衰减数值模拟

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叶顶布置蜂窝的涡轮平面叶栅间隙泄漏流动研究

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工程热物理学报 2017年第1期38卷 68-73页

作者：付云峰宋彦萍陈聪陈浮哈尔滨工业大学能源科学与工程学院哈尔滨150001

本文提出一种将蜂窝结构直接布置在涡轮动叶顶部的抑制涡轮径向间隙泄漏流动新措旌,数值研究了有/无蜂窝叶对涡轮平面叶栅间隙泄漏流场的影响。结果表明,蜂窝叶顶使得进入蜂窝腔的间隙流体形成旋涡运动,对间隙流具有能量耗散的作用,形... 详细信息

本文提出一种将蜂窝结构直接布置在涡轮动叶顶部的抑制涡轮径向间隙泄漏流动新措旌,数值研究了有/无蜂窝叶对涡轮平面叶栅间隙泄漏流场的影响。结果表明,蜂窝叶顶使得进入蜂窝腔的间隙流体形成旋涡运动,对间隙流具有能量耗散的作用,形成的径向射流类似于"气动栅栏",增加间隙内流体的运动阻力,进而对间隙泄漏流产生有效的抑制效果。与常规无蜂窝平顶叶栅相比,蜂窝叶顶叶栅的相对泄漏流量减低了约10%,形成的泄漏涡尺寸减小,叶栅出口下游总损失降低了4%。

关键词：涡轮平面叶栅间隙泄漏流动泄漏涡蜂窝叶顶

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变马赫数涡轮平面叶栅流场的实验研究

工程热物理学报 2013年第1期34卷 45-49页

作者：钟兢军高海洋武卉陆华伟高洋丁小娟王东大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026 沈阳发动机设计研究所辽宁沈阳110015

本文研究分析了三套涡轮平面叶栅设计攻角下变出口等熵马赫数时的气动性能,给出了三套涡轮叶栅设计攻角下的临界马赫数;阐述了叶栅出口总压恢复系数、能量损失系数、负荷系数及进口马赫数随出口等熵马赫数的变化规律;分析了叶片表面和... 详细信息

本文研究分析了三套涡轮平面叶栅设计攻角下变出口等熵马赫数时的气动性能,给出了三套涡轮叶栅设计攻角下的临界马赫数;阐述了叶栅出口总压恢复系数、能量损失系数、负荷系数及进口马赫数随出口等熵马赫数的变化规律;分析了叶片表面和叶栅端壁静压系数及等熵马赫数的分布情况。结果表明,三套叶栅所采用的叶型具有后部加载特性,具有较好的气动性能;叶栅出口能量损失系数随出口等熵马赫数的变化呈现出先减小后增大的变化规律。

关键词：涡轮平面叶栅实验研究马赫数后部加载能量损失

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跨音速涡轮平面叶栅气动性能试验研究

大连海事大学学报 2013年第2期39卷 123-127页

作者：刘壮阚晓旭陆华伟钟兢军中航工业沈阳发动机设计研究所沈阳110015 大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026

为研究某型涡轮叶片根部截面的平面叶栅在不同攻角和不同马赫数下的气动性能,采用风洞吹风试验对叶栅总损失特性、出口能量损失分布、叶片表面和壁面压力与马赫数分布等气动参数变化情况进行分析.结果表明,叶栅所采用的叶型具有较为明... 详细信息

为研究某型涡轮叶片根部截面的平面叶栅在不同攻角和不同马赫数下的气动性能,采用风洞吹风试验对叶栅总损失特性、出口能量损失分布、叶片表面和壁面压力与马赫数分布等气动参数变化情况进行分析.结果表明,叶栅所采用的叶型具有较为明显的后部加载特性,叶栅能量损失在较宽攻角范围内保持较低水平,且随着出口等熵马赫数的变化呈现先减小后增大的变化规律.

关键词：涡轮平面叶栅气动性能试验研究能量损失后部加载

侧向膨胀效应下激波与涡轮平面叶栅相互作用机理研究

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推进技术 2024年第8期45卷 66-79页

作者：李想武郁文李群聂嘉仪翁春生南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

爆轰燃烧具有更低的熵增率和更高的热循环效率,利用旋转爆轰燃烧室替代涡轮喷气式发动机的主燃烧室可以进一步提高其工作性能。为研究旋转爆轰波组合发动机内部的工作过程,建立激波管与涡轮平面叶栅耦合计算模型,考虑激波传播方向的影响... 详细信息

爆轰燃烧具有更低的熵增率和更高的热循环效率,利用旋转爆轰燃烧室替代涡轮喷气式发动机的主燃烧室可以进一步提高其工作性能。为研究旋转爆轰波组合发动机内部的工作过程,建立激波管与涡轮平面叶栅耦合计算模型,考虑激波传播方向的影响,分析激波在侧向膨胀效应下与涡轮叶片相互作用机理,并在此基础上进一步开展可视化实验研究。结果表明:在侧向膨胀效应影响下,激波波阵面从竖直形状转变为弯曲形状,波后气流在直角台阶处形成一个三角形的局部超声速区域,随后弯曲激波与涡轮叶片的前缘处、压力面、吸力面和尾缘处相互作用,在叶栅通道内形成复杂的波系结构。静子叶栅和转子叶栅对压力和温度有着不同程度的抑制作用,当弯曲激波相对于叶片垂直时,叶栅的抑制更为明显。对比分析了实验与数值模拟获得的激波系在涡轮平面叶栅通道内的传播及演化过程,发现激波演化的时空特性高度一致,实验与数值模拟结果吻合良好。观测到弯曲激波在叶片尾缘处发生衍射,波阵面面积明显增大且激波传播方向改变,随着激波继续传播,叶片尾缘处伴随着脱落涡产生。

关键词：旋转爆轰燃烧室侧向膨胀效应涡轮平面叶栅弯曲激波纹影观测

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变工况下轴向非均匀凹槽叶顶的实验研究

工程热物理学报 2018年第11期39卷 2398-2403页

作者：孟庆鹤陈绍文李伟航王松涛哈尔滨工业大学发动机气体动力研究中心哈尔滨150001

本文通过低速平面叶栅风洞实验的方法,将轴向非均匀间隙与叶顶凹槽进行结合,分析了其在不同工况下的性能及流场结构。结果表明:非均匀间隙适用于凹槽叶顶,在各个方案中均能显著降低能量损失系数(最高8.9%),并提高通流流量(最高1.53%);... 详细信息

本文通过低速平面叶栅风洞实验的方法,将轴向非均匀间隙与叶顶凹槽进行结合,分析了其在不同工况下的性能及流场结构。结果表明:非均匀间隙适用于凹槽叶顶,在各个方案中均能显著降低能量损失系数(最高8.9%),并提高通流流量(最高1.53%);攻角的增大导致端壁处泄漏涡低压区增大,并延迟了泄漏涡抬离壁面,继而在下游引发了高损失区的扩大;轴向非均匀间隙下出口气流欠偏转现象更加明显,而正攻角条件下的欠偏转现象有所减轻。

关键词：涡轮平面叶栅叶顶凹槽轴向非均匀间隙实验研究

扫频式射流对涡轮叶栅间隙泄漏流动影响的数值研究

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推进技术 2020年第6期41卷 1250-1257页

作者：孟庆鹤李伟航陈绍文王松涛哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001

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... 详细信息

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。

关键词：流动控制间隙泄漏流扫频式射流器非定常流动涡轮平面叶栅

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非轴对称端壁改善涡轮叶栅流场研究

工程热物理学报 2017年第5期38卷 970-977页

作者：斯夏依羌晓青滕金芳冯锦璋上海交通大学航空航天学院上海200240

以Pack B涡轮平面叶栅为研究对象,采用非轴对称端壁造型方法,以减少涡轮叶栅总压损失为优化目标,进行了涡轮叶栅的非轴对称端壁优化设计,优化后的总压损失减小了11.83%。通过对叶栅的下端壁以及上下端壁进行非轴对称造型并与原型光壁模... 详细信息

以Pack B涡轮平面叶栅为研究对象,采用非轴对称端壁造型方法,以减少涡轮叶栅总压损失为优化目标,进行了涡轮叶栅的非轴对称端壁优化设计,优化后的总压损失减小了11.83%。通过对叶栅的下端壁以及上下端壁进行非轴对称造型并与原型光壁模型进行全叶高流场对比分析表明:非轴对称造型对几乎全叶高的总压损失分布产生影响,大幅减小了20%和80%叶高附近的总压损失,对气流角和下游涡强度的影响局限在近造型壁面侧的30%叶高内。

关键词：涡轮平面叶栅非轴对称端壁数值模拟精度优化设计流场分析

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连续旋转爆轰波与涡轮叶片相互作用机理研究

连续旋转爆轰波与涡轮叶片相互作用机理研究

作者：李群南京理工大学

学位级别：硕士

连续旋转爆轰燃烧室具有自增压特性,可提高热力循环效率,因此将连续旋转爆轰燃烧室应用于燃气轮机可进一步提高系统的性能。本文以连续旋转爆轰燃烧室与涡轮耦合系统为研究对象,通过数值模拟和实验手段,对连续旋转爆轰波与涡轮叶片相互... 详细信息

连续旋转爆轰燃烧室具有自增压特性,可提高热力循环效率,因此将连续旋转爆轰燃烧室应用于燃气轮机可进一步提高系统的性能。本文以连续旋转爆轰燃烧室与涡轮耦合系统为研究对象,通过数值模拟和实验手段,对连续旋转爆轰波与涡轮叶片相互作用机理进行了研究,主要工作有以下几点:基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes(URANS)方法,采用剪切应力输运k-ω湍流模型,以氢气为燃料,空气为氧化剂,建立连续旋转爆轰燃烧室与涡轮平面叶栅耦合计算模型,研究了连续旋转爆轰燃烧室内的复杂波系与涡轮叶片的相互作用,结果表明:在50%叶高处连续旋转爆轰燃烧室内的燃气在涡轮叶栅内加速,并且在斜激波后的局部区域,马赫数的增加更为明显。斜激波与涡轮静转子叶片的前缘、压力面、吸力面以及尾缘相互作用,由于旋转爆轰波不同的传播方向,使得斜激波与静子叶片呈相互垂直或平行,进而形成两种不同的波系结构。涡轮叶栅对高频压力振荡存在明显的抑制作用,涡轮叶栅上下游高频压力振荡幅值的衰减率达到80%以上。当斜激波与涡轮静子叶片相互平行时,涡轮叶栅对压力振荡的抑制作用相较于斜激波与涡轮静子叶片相互垂直时更加明显,且转子叶栅对压力振荡的抑制效果更突出。对比分析了10%、50%及90%叶高处流场结构特征和旋转爆轰波相关参数的变化特性,结果表明:10%、50%及90%叶高处产生的波系结构存在诸多异同点,每个叶高处存在其独有的特点。在90%叶高处静子叶栅上下游的压力衰减率为-3.9%,而在其它位置的压力衰减率均为正值。在10%及50%叶高处静子叶栅上下游、转子叶栅上下游及涡轮叶栅上下游的压力衰减率相近,在90%叶高处静子叶栅上下游的压力衰减率小于10%及50%叶高处。搭建了连续旋转爆轰燃烧室与轴流式涡轮耦合实验系统,开展了连续旋转爆轰燃烧室热态实验以及连续旋转爆轰燃烧室与轴流式涡轮耦合冷态实验,结果表明:在推进剂总流量为421.9g/s的实验工况下,实现了单波模态下爆轰波的成功起爆及长时间的稳定传播,稳定工作时爆轰波主频为6244.5Hz,爆轰波的波速为1723.7m/s,相较于理论Chapman-Jouguet(C-J)速度亏损12.2%。在涡轮静子上游处不同周向位置的静态压力不同,靠近压力面处的静压较高。空气流量从200g/s逐渐增加至500g/s,涡轮前后静态压力逐渐增加,涡轮上游增加较快,涡轮下游增加较慢。随着流量的增加,压力衰减值从0.043bar增加到0.197bar,压力衰减率从4.16%增加到15.50%。

关键词：连续旋转爆轰燃烧室涡轮平面叶栅反射激波压力振荡衰减数值模拟