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轴流涡轮长叶片级变工况特性研究综述

机械工程学报 2024年第8期60卷 271-290页

作者：黄功瑞朱阳历熊军王星李文陈海生中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 江苏大学能源与动力工程学院镇江212013 国家能源大规模物理储能技术(毕节)研发中心毕节551712 中国科学院南京未来能源系统研究院南京211135

为满足高效、高负荷、高可靠性大流量轴流涡轮的应用需求,涡轮叶片的长度和展弦比设计日益增大。相较于较短的叶片,长叶片沿径向的叶型以及气流参数分布的变化幅度更大,因此其设计要求更高。受涡轮负荷需求、环境条件等因素变化的影响,... 详细信息

为满足高效、高负荷、高可靠性大流量轴流涡轮的应用需求,涡轮叶片的长度和展弦比设计日益增大。相较于较短的叶片,长叶片沿径向的叶型以及气流参数分布的变化幅度更大,因此其设计要求更高。受涡轮负荷需求、环境条件等因素变化的影响,长叶片往往变工况运行,其级内三维流场结构复杂,各项性能恶化,容易导致叶片的安全性及使用寿命下降。为方便学者后续进一步研究长叶片级在变工况运行时的气动、传热与结构强度特点,探索拓宽长叶片级高效、稳定运行范围的方法,梳理了该领域近年来的研究成果。首先介绍长叶片的气动与结构设计特点,再分析与总结变工况时长叶片级的气动特性、传热与强度特性,并简述排气装置对末级长叶片内部流场的影响,最后分析目前仍存在的不足,展望轴流涡轮长叶片级在控制变工况不利影响方面与优化设计方面的未来发展趋势。

关键词：轴流涡轮长叶片级变工况

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轴流涡轮等密流通流设计方法

工程热物理学报 2024年第8期45卷 2363-2368页

作者：李志刘艳杨金广大连理工大学能源与动力学院大连116024

针对轴流涡轮通流设计求解过程复杂和对设计经验依赖多等问题,提出了一种展向等密流通流设计方法。以E3涡轮为例论证该方法的优势。结果显示,通流设计与三维CFD模拟的参数展向分布基本一致。新设计方案通过调整密流的展向分布削弱了第... 详细信息

针对轴流涡轮通流设计求解过程复杂和对设计经验依赖多等问题,提出了一种展向等密流通流设计方法。以E3涡轮为例论证该方法的优势。结果显示,通流设计与三维CFD模拟的参数展向分布基本一致。新设计方案通过调整密流的展向分布削弱了第一级动叶根部的二次流损失,进而使涡轮效率提升0.5%。提出的通流设计方法在提升计算稳定性、降低时间成本和提高涡轮气动性能等方面体现出一定的优势,能够切实应用于轴流涡轮设计。

关键词：轴流涡轮通流设计 S2流面二次流气动优化

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轴流涡轮基元级静叶稠度对转静干涉的影响

航空动力学报 2012年第8期27卷 1832-1840页

作者：杨杰乔渭阳时培杰王蒲伟西北工业大学动力与能源学院西安710072

对具有不同静叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况进行了数值模拟,考察了静叶稠度对涡轮基元级转子的非定常势干涉、静叶尾迹与动叶的干涉及基元级性能非定常性的影响,探究了静叶稠度对转静干涉的影响机制.研究结果表明:当静叶稠度... 详细信息

对具有不同静叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况进行了数值模拟,考察了静叶稠度对涡轮基元级转子的非定常势干涉、静叶尾迹与动叶的干涉及基元级性能非定常性的影响,探究了静叶稠度对转静干涉的影响机制.研究结果表明:当静叶稠度增加时,转子的非定常势干涉在上游静子中的扰动强度增加,但衰减加快,传播范围变短;静叶稠度的改变通过引起静叶尾迹的强弱、尾迹与动叶干涉的频率和动叶通道中的流动状态的变化来改变尾迹干涉的强弱;进而通过尾迹干涉强弱的改变影响基元级性能的非定常性.

关键词：轴流涡轮静叶动叶稠度转静干涉势干涉尾迹非定常

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轴流涡轮基元级动叶稠度特性的数值研究

航空动力学报 2012年第6期27卷 1288-1296页

作者：杨杰乔渭阳侯伟涛魏佐君西北工业大学动力与能源学院西安710072

利用商用软件数值模拟了5个不同动叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况,以研究动叶稠度对轴流涡轮基元级性能和流动情况的影响.通过对动叶稠度对基元级反力度、叶片进出口气流角、转子和静子中的流场及损失影响情况的考察研究,发现... 详细信息

利用商用软件数值模拟了5个不同动叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况,以研究动叶稠度对轴流涡轮基元级性能和流动情况的影响.通过对动叶稠度对基元级反力度、叶片进出口气流角、转子和静子中的流场及损失影响情况的考察研究,发现动叶稠度的改变对涡轮基元性能和流动情况的影响与静叶稠度存在重要关系.静叶稠度不变时,动叶稠度的改变通过影响流过涡轮基元级的流量来使基元级的反力度发生变化.当动叶稠度过大时,气流在转子中会过度膨胀加速而产生激波损失及其与附面层干涉形成的流动分离损失.动叶稠度过小时,转子进口会出现极大的正攻角致使动叶吸力面发生大范围的流动分离.静叶稠度一定时,存在一个最佳的动叶稠度,使涡轮基元级呈现最好的性能.

关键词：轴流涡轮动叶静叶稠度反力度激波流动分离损失

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轴流涡轮叶尖泄漏流动实验测量技术研究进展

实验流体力学 2021年第6期35卷 28-43页

作者：杨益马宏伟北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191

基于公开文献与课题组现有实验研究成果,总结轴流涡轮叶尖泄漏流动实验测量的研究现状,并对未来发展方向进行展望。实验装置方面,现有大多数实验研究基于涡轮平面叶栅,针对旋转状态下间隙泄漏流动的测量较少;测量工况方面,低速条件下的... 详细信息

基于公开文献与课题组现有实验研究成果,总结轴流涡轮叶尖泄漏流动实验测量的研究现状,并对未来发展方向进行展望。实验装置方面,现有大多数实验研究基于涡轮平面叶栅,针对旋转状态下间隙泄漏流动的测量较少;测量工况方面,低速条件下的实验研究较多,针对跨声速、超声速叶尖泄漏流动的研究较少;测量方法方面,多数实验为稳态定量和定性测量,且着眼于出口流场,针对涡轮转子叶尖间隙内部流动结构的非接触、瞬态测量研究较少;结果分析方面,多数实验着眼于分析泄漏流动对涡轮性能的影响,对泄漏涡非定常流动机理、泄漏涡与二次涡系的相互作用以及涡破碎的揭示尚不完全。基于涡轮转子实验台,结合端壁动态压力测量阵列,采用内窥式PIV、LDV技术对涡轮转子叶尖间隙内部及附近非定常泄漏流动的测量是一个亟待深入研究的重要方向。

关键词：轴流涡轮叶尖泄漏流动粒子图像测速

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轴流涡轮基元级动叶稠度对转静干涉的影响

热能动力工程 2012年第6期27卷 637-642,732-733页

作者：杨杰乔渭阳赵磊谭洪川西北工业大学动力与能源学院陕西西安710072

针对不同动叶稠度的轴流涡轮基元级的流动情况进行了非定常数值模拟,探究了动叶稠度对涡轮基元级转子的非定常势干涉、静叶尾迹与动叶的干涉及基元级性能非定常性的影响机制。研究结果表明,在一定的动叶稠度范围内,转子非定常势干涉的... 详细信息

针对不同动叶稠度的轴流涡轮基元级的流动情况进行了非定常数值模拟,探究了动叶稠度对涡轮基元级转子的非定常势干涉、静叶尾迹与动叶的干涉及基元级性能非定常性的影响机制。研究结果表明,在一定的动叶稠度范围内,转子非定常势干涉的强度随着动叶稠度的增加而迅速减小,而在上游静子中的影响范围与动叶稠度关系不大;动叶稠度的变化通过引起静叶尾迹强弱和转子通道中流动状态的改变来影响静叶尾迹与动叶干涉的强弱;而基元级性能的非定常性受尾迹干涉强弱的影响。

关键词：轴流涡轮动叶稠度转静干涉势干涉非定常流动

基于自由变形型面的轴流涡轮叶片离散伴随优化

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航空动力学报 2024年第11期39卷 133-142页

作者：康伟王彦清徐全勇胡仕林西北工业大学航天学院西安710072 清华大学航空发动机研究院北京100084

针对涡轮机械单级气动优化问题,发展了基于自由变形型面技术的离散伴随CFD优化方法。对二维涡轮静叶与涡轮单级进行了优化分析,给出了叶型在约束条件下的最优形状。静叶优化得到的叶片前缘半径显著减小,厚度减小。在优化前后总压恢复系... 详细信息

针对涡轮机械单级气动优化问题,发展了基于自由变形型面技术的离散伴随CFD优化方法。对二维涡轮静叶与涡轮单级进行了优化分析,给出了叶型在约束条件下的最优形状。静叶优化得到的叶片前缘半径显著减小,厚度减小。在优化前后总压恢复系数减小了12.44%,而流动出口角约束在-74.66°,改变幅度为0.047%。对涡轮单级优化问题,考虑旋转效应后的动叶弯度提高,总效率提高了0.79%。而流动出口角约束在-70°,改变幅度为0.068%。结果表明所提方法在涡轮级气动性能优化问题上的有效性。与传统的有限差分方法,离散伴随方法对单级优化时间仅为有限差分的3%。

关键词：轴流涡轮计算流体力学方法离散伴随优化自由变形型面气动性能

进气室作用下压缩空气储能轴流涡轮弯导叶流动特性

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中国电机工程学报 2022年第S01期42卷 156-166页

作者：孙晓霞桂中华王星赵毅锋李文张新敬陈海生国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院北京市西城区100761 中国科学院工程热物理研究所北京市海淀区100190 中国科学院大学北京市石景山区100049

在压缩空气储能轴流涡轮中,紧凑型进气室常会形成三维不均匀流动结构并降低流场均匀性。为使下游导叶能够在上述流场不良影响下进一步减少流动损失,该文引入J型弯曲导叶,并采用三维计算流体动力学方法,对比研究进气室非均匀流场影响下,... 详细信息

在压缩空气储能轴流涡轮中,紧凑型进气室常会形成三维不均匀流动结构并降低流场均匀性。为使下游导叶能够在上述流场不良影响下进一步减少流动损失,该文引入J型弯曲导叶,并采用三维计算流体动力学方法,对比研究进气室非均匀流场影响下,该结构内部流场结构、损失分布特点以及对轴流涡轮性能的提升效果。结果表明:J型弯曲导叶能够降低机匣和轮毂附近相邻叶片之间的压力梯度,减小端壁二次旋涡强度,并在全周范围内使10%、50%和90%叶高处的熵产值分别下降25.92%、42.10%、9.72%。在紧凑型进气室影响下,J型弯曲导叶仍使轴流涡轮的等熵效率和质量流量分别提高0.41%和1.59%。结果可为同类压缩空气储能轴流涡轮的优化设计提供参考。

关键词：压缩空气储能轴流涡轮弯导叶进气室流动机理

某微型发动机轴流涡轮与向心涡轮的气动性能及尺寸对比分析

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航空动力学报 2011年第3期26卷 489-497页

作者：夏晨黄国平邱建南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

为确定厘米级微型涡轮发动机在相对较大功率、流量需求时的涡轮形式,基于某直径为12cm的微型发动机样机开展研究.估算了该样机整机环境下单级轴流涡轮的做功能力,并按参数优选规律设计了一台微型轴流涡轮,将之与该样机采用的微型向心涡... 详细信息

为确定厘米级微型涡轮发动机在相对较大功率、流量需求时的涡轮形式,基于某直径为12cm的微型发动机样机开展研究.估算了该样机整机环境下单级轴流涡轮的做功能力,并按参数优选规律设计了一台微型轴流涡轮,将之与该样机采用的微型向心涡轮对比,分析了两种叶轮在功率、效率及尺寸质量方面的差别.研究表明:在先进微型发动机压比提高(>4)的情况下,涡轮为了保持效率且满足压气机更高功率需求,轴流式必须采用双级方案,向心式单级即可满足要求;在压气机压比为4～6条件下,进一步对比双级轴流与单级向心方案的结果显示,当流量小于500g/s时,向心式具有尺寸质量优势,发动机能实现较高的推质比.针对厘米级微型发动机,在发动机压比较高且没有超出单级向心涡轮做功能力的范围时,向心涡轮方案是更好的选择.

关键词：微型涡轮发动机轴流涡轮向心涡轮压比数值模拟