利用数值模拟方法,对前部分冠、后部分冠及前&后部分冠结构的气动性能进行了对比分析,指出了各部分冠泄漏损失的特点和来源,以及不同气动条件下部分冠的泄漏特性。结果表明,与全冠相比,前部分冠增加了因泄漏量增大而产生的额外间隙内部损失及机匣通道涡增强产生的额外掺混损失,后部分冠则增加了因出口腔内周向旋涡增强引起的额外腔内损失及其与主流的掺混损失,前&后部分冠泄漏损失大致是前部分冠和后部分冠对泄漏损失影响的综合结果。叶栅出口马赫数较大时,前部分冠结构更有利于控制泄漏损失;叶栅出口马赫数较小时,后部分冠结构更有利于控制泄漏损失。

为探索总结凹槽叶尖泄漏流动气动热力特征,利用实验和数值模拟方法,对叶尖凹槽内部旋涡相互作用机理和叶顶流动换热与泄漏流能量再分布等问题进行研究,并对凹槽叶尖参数化设计方法进行探讨。结果表明:搭建的考虑多因素实验台和可视化泄漏流动测量方案可以精确地捕捉到叶顶区域的流动结构;刮削涡在凹槽中起到"气动篦齿"作用,其形态特征的变化直接影响凹槽叶尖对泄漏流动的控制效果;高温泄漏流流体对叶片表面的冲击是叶尖热负荷提高的主要原因;合理选择叶尖气动参数和凹槽的几何参数可以有效控制刮削涡形态,最终提升叶尖气动热力性能。

为了获得低压涡轮动叶叶顶间隙泄漏流动特性,采用数值方法研究带冠动叶叶顶间隙对低压涡轮级气动性能的影响。对试验测量的扇形带冠叶顶叶栅气动性能进行数值计算,得到的叶栅总压恢复系数与试验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。对没有间隙和3种动叶叶顶间隙条件下低压涡轮级的气动性能和动叶叶顶间隙泄漏流动特性进行对比分析。结果表明:带冠动叶叶顶间隙增大导致转子叶尖的出口气流角增大和叶顶间隙泄漏量增加;涡轮级气动效率降低和叶顶间隙泄漏量增加与带冠动叶叶顶间隙增大呈近似线性变化;在相同叶顶间隙条件下,出口马赫数对叶顶间隙泄漏量的影响较小;随着涡轮级出口马赫数的提高,出口气流角度减小。

采用基于转子多频椭圆涡动模型的Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(URANS)方程求解方法,研究了防旋板高度与第1个迷宫齿前缘高度相同时,防旋板高度对迷宫密封泄漏流动和转子动力特性系数的影响。计算分析了典型中等进口预旋条件下,无防旋板结构以及防旋板高度为1.85,3.7和7.4 mm时,密封泄漏量、气流周向速度与转子动力特性系数。研究结果表明防旋板高度对密封泄漏量的影响可以忽略;当防旋板高度与第1个迷宫齿前缘高度相同时,存在最佳防旋板高度使得防旋板下游气流周向速度最低;防旋板高度增加能够降低进口腔室区域内周向压力波动,进而降低正切向气流激振力,同时能够略微增加防旋板下游腔室区域内负切向气流激振力,使密封转子稳定性增强,但是密封直接刚度在低涡动频率范围内(<162 Hz)随防旋板高度增加而降低。

针对超临界二氧化碳(SCO2)旋转机械面临的严重泄漏、气流激振引发转子失稳等问题,以美国通用电气公司10MWe SCO2循环中高压涡轮的轴端密封为研究对象,设计了螺旋角15°和30°的螺旋槽、T型槽和ST型槽的四种槽型结构的干气密封。采用基于动网格技术和非定常CFD数值方法的微尺度摄动模型,研究了在实验边界条件下干气密封的稳态性能及在轴向简谐微扰动下SCO2涡轮轴端干气密封的非稳态动力学特性。对比分析了3种动压槽深度、2种动压槽角度下的干气密封泄漏量、静态气膜刚度、动态气膜刚度和阻尼系数。研究表明:四种槽型均满足泄漏流量的设计要求。随着动压槽深度的增加,干气密封开启力与泄漏流量均增大。ST型槽干气密封有着较大的气膜刚度和刚漏比,同时其在面对轴向微尺度摄动时最为稳定,是综合性能最优秀的干气密封结构。

采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的方法对典型的燃气轮机交错齿迷宫密封的泄漏特性开展了研究。计算分析了5种轴向齿间距和7种齿腔深度时不同压比下交错齿迷宫密封的泄漏量和流场形态。研究了轴向齿间距、静子面和转子面密封齿腔深度尺寸对交错齿迷宫密封泄漏特性的影响规律。研究结果表明:在齿腔深度保持不变时,轴向齿间距的改变会使得密封有效泄漏间隙发生变化,进而引起泄漏量发生改变。有效泄漏间隙越大,泄漏量越大。轴向齿间距一定时,静子面和转子面齿腔深度对密封泄漏量的影响规律相同。当轴向齿间距为0时,泄漏量随着齿腔深度增加而增大,当轴向齿间距为14mm时,泄漏量随着齿腔深度的增加而减小。研究结果同时验证了交错齿迷宫密封的有效泄漏间隙和齿腔深度是决定其泄漏量的关键几何参数。

为了探究结构参数和运行工况参数对迷宫-刷式密封泄漏流动和摩擦传热特性的影响规律,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程耦合有限元分析(FEA)的方法,数值研究了围栏高度hb,前夹板与转子间隙hf,转速n和压比Rp对迷宫-刷式密封泄漏流动、温度分布以及转子热应力的作用规律。研究结果表明:刷丝束与转子的摩擦生热使得泄漏流量显著降低;Rp和hb对接触式迷宫-刷式密封封严性能有着决定性作用。Rp和n升高使得摩擦热流密度和转子最高温升显著增大。hb增大使得摩擦热流密度和转子最高温升先增大后减小;hf增大使得摩擦热流密度先略微增大后减小,转子最高温升逐渐减小;转子最高温升随hb或hf增大的变化趋势取决于摩擦热流密度增幅和气流冷却作用增强幅度的相对大小。转子最高热应力随Rp和hb升高而增大,随hb增大而先增大后减小,随hf增大而...

分析多级刷式密封级间压降分配特性理论,提出新型各级差异化多级刷式密封结构,基于流固耦合方法建立新型多级刷式密封三维实体计算模型,设计搭建新型多级刷式密封泄漏流动特性实验装置,数值与实验研究在不同工况条件下,结构参数对新型结构多级刷式密封级间压降均衡性和泄漏特性的影响规律。研究结果表明传统结构多级刷式密封各级级间压降占比均衡性标准差为8.41,新型结构各级级间压降占比均衡性标准差最大为4.69,最小为2.07。相较传统各级相同结构,增大下游级有效流通面积的新型各级差异化多级刷式密封可有效改善级间压降的不均衡性。提高后挡板保护高度使得新型结构各级级间压降占比均衡性标准差最小,各级级间压降占比较接近,可明显改善新型结构多级刷式密封级间压降均衡性。减少刷丝束厚度和增大刷丝束与转子面间隙使新型结...

采用CFD软件对某燃气轮机喷嘴内围带迷宫式汽封进行了三维流动特性数值模拟,详细分析了汽封内部流场结构和汽封泄漏量特性的变化。结果表明,在汽封室内流动是具有复杂涡系结构的湍流流动,在相同的汽封尺寸参数下,汽封泄漏量随着压比的增加而增大,在相同的压比下,汽封泄漏量随着汽封齿长度的增加而减小、随着汽封齿宽度的增加而增大。

以NACA 65-1810压气机为研究对象,探讨了叶顶间隙对压气机流动特性的影响。在ICEM中建立结构化网格,针对不同叶顶间隙方案采用SST k-ε双方程湍流模型,对压气机流场进行了数值模拟,分析了叶顶间隙对压气机平面叶栅气动性能、泄漏涡流及平面叶栅性能的影响。结果显示,紧密间隙时会出现逆流现象;减小叶顶间隙不仅可以较好地抑制泄漏涡流,而且能够减小压力损失,从而提高平面叶栅的效率,改善压气机平面叶栅的性能。