低速轴流涡轮流动分离机理与控制方法研究

发布时间：2020-11-05 03:12

　　 高空工作的航空发动机或者微型燃气轮机通常工作在很低的进口雷诺数下。涡轮内部流动可能存在流动分离和转捩,对涡轮的气动特性造成严重影响。轴流涡轮内部的流动是复杂的三维非定常流动。数值模拟方法是研究其内部流动的重要手段。针对某低速轴流涡轮,建立了三维数值模型,研究了雷诺数对涡轮内部流动的影响。根据静叶流动分离情况,研究了不同控制方法控制流动分离的效果及内部流动的影响;最后研究了通过叶片几何优化控制流动分离的可行性。研究结果表明:随进口雷诺数的增加,涡轮静叶吸力面流动分离推迟,静叶出口处速度边界层厚度变薄;静叶下游总压损失和速度损失减小;动叶下游出口处二次流引起的损失区域减小。根部通道涡、顶部通道涡和顶部间隙泄漏涡引起的总压损失较大。顶部间隙泄漏涡造成的速度亏损最大。在低雷诺数下,矩形凸台加装在前缘和最大厚度处时吸力面流动分离推迟;矩形凸台加装在分离前位置没有达到控制流动分离的效果。粗糙带加装在三个位置时均能有效控制吸力面的流动分离。在叶片上加装圆形槽和V形槽时控制方法失效。在高雷诺数下,矩形凸台和粗糙带的效果与低雷诺数下效果相似。圆形槽加装在前缘和最大厚度处能有效的控制流动分离,加装在分离前位置处失效。V形槽加装在前缘位置处时控制流动分离的效果较弱,加装在叶片最大厚度处和分离前位置处均失效。改变叶片的倾斜角减弱了叶片顶部流体的径向流动,提高了静叶下游出口处流体速度,使静叶整体的总压亏损略有降低,但叶片顶部流动分离区域增大。
【学位单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V231;TK471
【部分图文】：

气动性能和效率急剧下降。因此必须深入研究雷诺数是如何影响涡轮性能，本章将??从雷诺数角度深入分析其对涡轮内部流动的影响。??３．１计算模型与数值方法??３．１．１物理实验介绍??实验由日本ＡＩＳＴ研宄所在开放式风洞中完成。实验装置如图３－１所示，实验??装置的总长度为３．８米，实验段内径和外径分别为０．３米和０．５米。单级轴流式涡轮??叶片使用自由涡法设计，静叶和动叶的叶片数分别为２８和３１。静叶和动叶的叶高??分别７５ｍｍ和７４ｍｍ，动叶叶顶与端盖处的间隙１ｍｍ，润轮叶片的几何参数由表??３－１给出。静叶出口处总压、速度和出口气流角通过五孔测压管测得，湍流强度由??热线风速仪测得；动叶出口处的速度和揣流强度由热线风速仪测得。涡轮进口雷诺??数由１．７父１０４变化到６．６＼１０４，动叶转速从４０２印１１１变化到１４０８印１１１。变工况参数由??表３－２给出。图３－２为涡轮静叶和动叶三维几何模型，图３－３为涡轮叶片不同展向??位置的翼型几何。??ｌｍ?會＾??＇

气动性能和效率急剧下降。因此必须深入研究雷诺数是如何影响涡轮性能，本章将??从雷诺数角度深入分析其对涡轮内部流动的影响。??３．１计算模型与数值方法??３．１．１物理实验介绍??实验由日本ＡＩＳＴ研宄所在开放式风洞中完成。实验装置如图３－１所示，实验??装置的总长度为３．８米，实验段内径和外径分别为０．３米和０．５米。单级轴流式涡轮??叶片使用自由涡法设计，静叶和动叶的叶片数分别为２８和３１。静叶和动叶的叶高??分别７５ｍｍ和７４ｍｍ，动叶叶顶与端盖处的间隙１ｍｍ，润轮叶片的几何参数由表??３－１给出。静叶出口处总压、速度和出口气流角通过五孔测压管测得，湍流强度由??热线风速仪测得；动叶出口处的速度和揣流强度由热线风速仪测得。涡轮进口雷诺??数由１．７父１０４变化到６．６＼１０４，动叶转速从４０２印１１１变化到１４０８印１１１。变工况参数由??表３－２给出。图３－２为涡轮静叶和动叶三维几何模型，图３－３为涡轮叶片不同展向??位置的翼型几何。??ｌｍ?會＾??＇

入动叶通道时具有相同的入流角。通道两侧为周期性边界，转静子交界面采用冻结??转子法连接，端壁及叶片表面为绝热无滑移固壁。由于进口马赫数远小于０．３Ｍａ，??选取不可压缩的２０°Ｃ空气作为工质。涡轮单通道计算域如图３－４所示。??计算网格：采用ＡｕｔｏＧｒｉｄ软件生成单通道多块贴体结构网格，静叶网格节点数??为８９ｘ１６１ｘ６５?（周向ｘ轴向ｘ展向）动叶网格节点数１２１ｘ１３７ｘ６５?（周向ｘ轴向ｘ展向）??网格节点数２３０万，近壁面Ｙ＋小于１。涡轮单通道网格如图３－５所示。??采用ＣＦＸ软件求ＲＡＮＳ方程：空间和时间均采用二阶精度的中心差分格式离??散。定常模拟选取转捩ＳＳＴ揣流模型，全局残差收敛到ＫＴ４－１（Ｔ６量级。??１５??
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本文编号：2871038