2.1。解算器和设置

ANSYS CFX-solver [18)是用于解决巨蜥方程有限体积环境(如下)。计算域有一个上游管道连接燃烧室NGV和笼罩转子叶片尖端腔(图2): 的应力张量 , :科氏力和离心力。 总焓和 ,k湍流动能,能量源项。这些方程是集成在每个控制体积加入中心和边缘元素定义为中心周围的每个节点。体积积分是评估通过考虑流动特性常数和等于中央值(网格节点),而曲面积分是评估集成点位于中心的表面部分。

边界条件,总结在表2,包括总压强和温度(起飞操作条件17NGV])施加在进口,而下游转子叶片的静态压力变化的整体扫描的质量流率不同的旋转速度。此外,自由流湍流强度 是强加在进口,在哪里是一个代表速度和表示来流的湍流动能强度取决于进口叶片长度尺度。威尔科克斯的湍流粘度计算模型(19]。

稳定流动的解决方案(跑方程)使用了高分辨率的方案。防止压力场振荡由于nonstaggered配置电网耦合解算器解决了流方程作为一个系统使用简单的算法结合动量插值技术。解决方法是完全隐式,时间步作为放松参数收敛残差10^−6。

多参考帧之间的接口方式的不同和不移动的细胞区域被移动。在冰冷的转子模型,细胞之间的耦合区是由开关相对和绝对帧之间的绝对速度,因此,得到流场的快照的考虑不同细胞之间的尾流区。目前,冻结转子接口是用来描述流涡轮阶段的细节。在混合平面模型(接口)阶段,每个流体的稳态解计算区域,和两个相邻帧是由交换耦合流场变量的接口。平均压流场数据帧在接口和传递到相邻区域的边界条件。这种空间平均技术接口删除任何不稳定,会出现由于zone-to-zone流场的变化。混合平面模型,用于确定气体热力学稳定性能。瞬时转子/定子接口模型占参照系转移和音高变化,并假设流场不稳定,因此可以模拟叶片和叶片之间的相互作用。相对运动是通过实现模拟的通用网格界面(GGI)连接允许节点位置的nonmatching元素类型,和表面重叠。

非定常流的解决方案(巨蜥方程)使用二阶向后欧拉与高分辨率的瞬态方案平流方案。瞬态模拟在于身体上推进实时流,因为它是不可能单独使用最后的时间步的流场评估收敛的RMS /最大残差和失衡,某种平均需要一个合适的时间表。每个时间步的迭代数一到十的迭代一个内循环实现剩余的准确性( )使用选定的时间步是足够小,获得必要的时间分辨率的不稳定VRI根据旋转的速度。不同的特征时间尺度估计如下:(我)必要的时间来完成一个转子轮 (2)明显的叶片通过周期 , ,在哪里叶片数量的行吗(3)必要的时间来覆盖几何巧合是由 ,在哪里 最大公约数吗

对于这个惠普46叶片组成的单级轴流式涡轮和64叶片和操作名义12242转的速度旋转, 女士,因此 μ年代相当于0.2445度。

2.2。湍流模型

传统的湍流模型之间提供了一个良好的平衡网格分辨率要求和流场的复杂性;另一方面,大涡模拟仍然是禁止的,可能太详细的用于工程设计的目的(20.]。周et al。21]Spalart-Allmaras等几种湍流模型,使用标准k -εkω风场和产品化kω风场研究的影响的后缘超高lp涡轮叶片和显示两个最后的模型提供了一个良好的空气动力性能的预测与实验。此外,kω风场模型已经证明某些可靠性研究流相互作用的一个很好的启示压力振荡(22]。过渡模型代表了工业应用的关键问题;然而,根据文献,这需要两个额外的方程的解与额外的CPU时间约为18%,最大值以及细网格 ,充分解决层流边界层网格点流向的方向解决过渡地区。在此,无因次参数 认为平板的摩擦定律 和 与 ,在哪里c是和弦。一般来说,比例(百分比)可以估计从层流 ,基于过渡的经验相关发病(如同[23]),雷诺数是过渡。惠普轴涡轮机,层流很小的一部分,由于气动损失主要是由于湍流过渡后,转变对损失的影响不显著(23]。层流的分数的估计是基于叶片中期/叶片弦在出口处平均和流动特性。表3显示小分数的层流,因为高流速度和结果了kω风场模型被选中,它允许标准壁面函数(20间切换< y^+<100)和低雷诺数模型(y⁺< 2)解决边界层的细节。

2.3。网格生成

非结构化H-grids块和O-grids(图3),与叶片和叶片改进,而空腔(图4)分别是网状。的参数y⁺被用来检查第一个节点的距离从叶片或叶片表面。覆盖区域的高雷诺数,叶片或转子叶片的出口流动速度对应于起飞的操作条件。

图3

中跨网格的每一个叶片,叶片通道之一。

(一)

(b)

(一)
(b)

图4

叶尖间隙腔:几何(a)和(b)网格。

空气动力性能进行评估七不同大小的网格。膨胀性能稳定(图5)第六网格大小,因此,每一个频道整体网格大小的叶片/刀片是667088:261018节点为一个叶片通道和250486节点为一个叶片通道添加155584个节点的提示腔。

(一)

(b)

(c)

(一)
(b)
(c)

图5

网格依赖性分析:(a) total-to-total等熵效率,(b) total-to-static等熵效率,和(c)的压力比。

考虑整个渠道非常广泛,通过网格的分辨率有限,这就是为什么减少了计算域扩展方法。如表所示4计算域(图,四个配置6)进行评估,包括:基线配置组成的半叶片排23叶片和32个叶片,配置“NGV 11: 16”组成的11个叶片和16个叶片(叶片弦减少4.5%),配置“NGV 3: 4”组成的3叶片和4叶片(叶片弦减少4.2%),和最后的配置组成的“转子2:3”2叶片和3刀片(刀片和弦减少7.25%)。不同的网格尺寸表中列出4描述统一进而影响附近的一个比例因子略叶片压力分布并避免过度网格大小模拟这将需要更长的时间。

表4

扩大计算域。

(一)

(b)

(c)

(一)
(b)
(c)

图6

扩大计算域:(a) NGV 11: 16日,(b) NGV 3: 4和(c)转子2:3。

2.4。减少域之间的比较

三个scale-reduced域与基线相比而言,熵(从冻结转子模拟获得)中描述的人物7和8和扩展属性和性能(基于阶段界面模拟)中描述的数据9和10。静态熵的情节在叶片间从中心到提示跨越10%,50%,90%,在空腔在跨越96%和98.5%由图所示7。很明显,转子叶片内的叶片醒来迁移通过比较不同域之间的基线和其他减少。基线(图7(一))产生更好的解决流程细节而配置转子2:3产生的吸力面位高马赫数,特别是在50%和90%的跨度,解释不同的气动损失和装载。叶尖间隙流结构和技巧腔转子配置2:3截然不同,这反过来会转化为更高的熵代在跨越96%和98.5%。

(一)

(b)

(c)

(d)

(一)
(b)
(c)
(d)

图7

熵轮廓(名义点)跨越10%,50%,90%,96%,和98%(从左到右),先后:(a)基线,(b) NGV 11: 16日,(c) NGV 3: 4和(d)转子2:3。

(一)

(b)

(c)

(d)

(一)
(b)
(c)
(d)

图8

熵在出口平面轮廓NGV和转子叶片(名义点)(a)基线,(b) NGV 11: 16日,(c) NGV 3: 4和(d)转子2:3。

(一)

(b)

(一)
(b)

图9

变动回水区静态压力(a)和(b)相对马赫数。

(一)

(b)

(c)

(一)
(b)
(c)

图10

涡轮级性能:(a) total-to-total压力比,(b) total-to-total等熵效率,和(c)扭矩。

图9描述变动回水区的平均扩张性质。配置采用缩放因子接近0.958统一即NGV 3: 4和1.045 NGV 11: 16似乎不会影响太多的扩展属性。在名义上的点,有几乎相同的趋势与基线相比,确认当前缩放因子的不错的选择。然而,随着转子的配置2:3、叶片弦的扩张属性差异超过70%,表明转子叶片的扩展诱发更多的损失因为有更多的叶片和梢蛀牙除了修改叶片喉咙及其临界条件。

此外,叶片和叶片的周向下游流扰动,熵是绘制在图的轮廓8。在出口处的叶片径向平衡流量转化为积极的压力梯度从中心到裹尸布,和径向分布的熵。下游的转子叶片和由于不同的气动载荷,径向平衡的影响不同,因此流动结构。此外,传入的叶片尾流和漩涡席卷通过叶片行不同,这就是为什么中心附近的二次流和旋涡结构和裹尸布角完全不同。

涡轮级性能计算转速显示,膨胀率100%(图10 ())与基线配置是一致的,但在高质量流率达到窒息早期对转子2:3由于减少喉咙叶片的面积。total-to-total等熵效率曲线(图10 (b))实际上遵循相同的趋势在低质量流率但偏离略高质量流率除了配置转子2:3这效率起伏在接近窒息,因为扩展影响的损失。转子的扭矩配置2:3(图不同10 (c))高质量流率由于没有运动相似保持相同的声速的比例配置,因此,压力分布和气动载荷的影响。在全球范围内,似乎有一个很好的协议NGV 11: 16日NGV 3: 4,基线。

2.5。计算获得

近似的节点数量的基线配置(23叶片和叶片32) ,高档的(4.5%)NGV 11: 16配置 ,缩减规模(4.2%)NGV 3: 4配置 ,转子和缩减规模(7.25%)配置2:3 。初步的非定常流模拟在名义操作点允许评估获得的计算能力。配置的基线和高档NGV 11: 16日平均计算时间为14分钟,9分钟,分别为每个时间步,总时间为每个模拟可能达到2184天,1404天,分别。因为集群的能力不允许写数据文件,它是决定限制非定常模拟配置NGV 3: 4的总节点数的2407334构成了一个很好的妥协。在这个实例中,所使用的计算工作站7处理器和16 GB的RAM,每个时间步花了3分钟,这样总模拟时间是20天。

3所示。稳定流动的结果

获得的稳定性能地图是基于计算域NGV 3: 4和采用阶段界面混合平面。如图11对于每个转速,total-to-total膨胀率最初适度变化,增加迅速达到窒息限制与旋转的速度变化。的极限膨胀比达到最大转速的2.97 100%,减少了1.73×10的质量流率^{−3 相当于的质量流率 。效率的曲线揭示了最大效率和转速略有增加。名义上的点对应于一个最大total-to-total等熵效率的93.05%和85.63%的total-to-static等熵效率的名义速度和减少了1.638×10的质量流率−3 对应于一个质量流量的69.5公斤/ s。这个高纵横比惠普涡轮机,操作范围是广泛的即使在高旋转速度。}

(一)

(b)

(c)

(一)
(b)
(c)

图11

涡轮级性能地图:(a) total-to-total压力比,(b) total-to-total等熵效率,和(c) total-to-static等熵效率。

3.1。流结构

在名义操作点的流动结构,配置NGV 3: 4和冻结转子接口用于稳定流动计算。通过NGV扩张和转子发生重要的静态压力和流量下降加速超越喉咙膨胀波的形式。后叶片附近的咽喉和中心,形成一个涡流由于边界层之间的交互和膨胀波。转子前缘,流发生率增加从中心到裹尸布由于高圆周速度和叶片扭曲;因此,驻点走向附近的叶片压力面中心向吸力面附近的裹尸布导致前缘流动加速。在叶片吸力面中心和根据提示腔,流量偏差被认为,导致二次流的形成与主要交互流。也注意到,中心通道涡与核心流混合高达10%。内腔,流动非常缓慢困涡的形成,除了另一个地区的减速流漏流和自由之间由于混合步骤背后的涡腔。在90%的跨度,有一个jet-pointing带位于腔下的吸力面传播的涡但是消失由于混合与主流动。下面提示腔,消极的发病率在压力端创建一个轻微的流动分离后前缘,及其与空腔边界下的交互层导致涡流的创造。 The effect of tip cavity is clearly illustrated above the 96% span where the uniformly low static pressure is related to the leakage flow reduction. The highest value of static entropy is marked in the tip cavity as characterized by flow recirculation and mixing with leakage flow, shroud passage vortex, and free step cavity vortex. The under cavity vortex, passage vortex, and leakage flow meet the blade wake, hence intensifying the losses. It seems that by incorporating a tip cavity, the leakage flow is reduced drastically about 25%, as seen from Figure12(一个)而平的情况下提示。此外,再循环流在腔似乎重新激励寿衣,附近的一个通风的流和随后total-to-total total-to-static等熵效率增加了5.4%和13.26%,从图12 (b)和(图12 (c)),分别。

(一)

(b)

(c)

(一)
(b)
(c)

图12

比较平的提示和技巧腔:(a)泄漏流量,(b) total-to-total等熵效率,和(c) total-to-static等熵效率。

3.2。转子叶片位置的影响

不同pitchwise位置的影响转子叶片的扩张是评估的total-to-total total-to-static等熵效率和压力系数。触发位置(4°,2°,0°,−2°和−4°)由图表示13。的相对变化total-to-total效率和total-to-static效率被定义为 ,在哪里是触发位置R0的效率,提出了在图吗14对于不同的触发位置和操作点。高峰值R1和R4的位置。的转移效率曲线是由叶片与叶片前缘交互醒来。观察到,等熵效率最低的发生在名义操作点。当叶片前缘后满足,这代表了最低损失的位置。

图13

2^{nd叶片触发位置。}

(一)

(b)

(一)
(b)

图14

影响pitchwise转子叶片的位置(a) total-to-total等熵效率和(b) total-to-static等熵效率。

压力系数 在叶片与pitchwise位置几乎不变,除了后缘附近由于背压产生的转子叶片。的情节沿着第二叶片展览(图15)主要变化的压力加载在传入的叶片造成的前缘。此外,突然改变叶片弦的50%从吸入端被称为当地形激波,这是更强烈的最大质量流量作为下降了转向的后缘和弦的75%。最低质量流率,明显的变化与相反的压力梯度发生叶片的前20%的和弦。这可以解释为位移驻点的叶片前缘吸力面,造成负面的发病率和创建一个泡沫再循环在压力面发生逆压力梯度。压力荷载分布而言,在转子叶片的整体位置导致涡轮效率的最大礼物更大区域的静压分布相比,导致涡轮效率的最低,添加到高在相关的前沿醒来在本地段撞击。

(一)

(b)

(一)
(b)

图15

压力系数在2^{nd叶片在不同的音高位置和名义操作点(a)和(b)最大的质量流率的操作点。}

4所示。非定常流的结果

并给出了非定常流的结果和讨论名义操作点(12242 rpm, 公斤/ s)。时间步长是 μ年代,相对应的仿真总时间等于9.802 ms两轮转子。然而,通过尊重香农标准(24),这段时间是除以3等于多少μ允许检测压力的小波动。录音的时间点静压midpitch第一,第二,第三叶片从10%,50%,和96%出口平面的跨越,而转子叶片的上游和下游,midpitch设置的第一,第二,第三,第四个叶片。这些位置被选来更好地突出流动结构的影响:交互叫醒的叶片和转子叶片和叶片裹尸布与叶尖泄漏涡二次流,除了叶片与转子中心二次流中心二次流。

有必要消除过渡时期的时间压力信号显示在图16。记录压力信号的特征是第一个100赫兹的频率对应的仿真时间相关的大小是由速度直到其稳定的波动曲线。还有几个峰的频率由于不规则的暂时的波动随时间变化(无波动周期性)。治疗区域的时间间隔4 - 9.8女士,女士似乎有规律的周期性在时间和频率描述物理现象的特征。

图16

样品的时间压力信号。稳定:[4 ms, 9.8毫秒)。

FFT分析应用于空间和时间的静态压力记录在不同的位置和线路产生的光谱数据17- - - - - -20.,描述一个根本性的叶片通过频率 赫兹与转子叶片的潜在影响。压力波的特征这个谐波及其倍数繁殖上游和下游叶片通过叶片通道,导致流扰动,但减毒。主要峰值的大小取决于录音点注意到同样的高空位置。波振幅似乎会增加从吸入端直到interblade中间最大,然后减少,直到压力面。出于这个原因,时间压力信号的midpitch振幅最高。叶片在出口处的压力波动记录中跨和附近的裹尸布,特别是midpitch的第一,第二,第三叶片,和它们相关的光谱图所示17和18。还出现其他频率 , , , , ,和更高的振幅归因于嵌入转子流干扰,主要受上游下游流所造成的扭曲叶片尾流和潜在的干扰与转子叶片,护环同时腔倾斜。原则上,当两个主要谐波说,和 ,共存,流响应可能包含次谐波频率 ,在哪里和都是整数。记录从一个点到另一个地方,有不同的频率峰值的出现不同的大小,取决于叶片的相对位置,由于叶片不配合叶片的同一时刻醒来。在记录点后方叶片后缘,频率的大小达到最大,但较小的记录点时不与后缘。频率的大小低于由于落后的潜在影响的大小低于所隐含的叶片的醒来。的频率和更明显的第二叶片记录点,添加到其他重要的频率 , ,和 。图18记录显示,当静态压力附近的裹尸布,第一个频率仍然是重要的,而其他人就没那么相比 。

(一)

(b)

(c)

(一)
(b)
(c)

图17

时间压力波动和FFT,记录在出口处的NGV跨和midpitch (a)首先,(b)第二,第三叶片和(c)。

(一)

(b)

(c)

(一)
(b)
(c)

图18

时间压力波动和FFT,记录在出口处的NGV 96%跨度和midpitch的(a), (b)第二,第三叶片和(c)。

(一)

(b)

(c)

(d)

(一)
(b)
(c)
(d)

图19

FFT的压力波动记录上游叶片的跨度(50%)和midpitch (a)首先,(b)第二,(c)第三,和(d)第四叶片。

(一)

(b)

(c)

(d)

(一)
(b)
(c)
(d)

图20

FFT的压力波动记录上游叶片的跨度(96%)和midpitch (a)首先,(b)第二,(c)第三,和(d)第四叶片。

数据19和20.显示压力波动的光谱记录上游叶片前缘,这表明颞演进的主要频率比下游叶片。的潜在影响是如此的力量觉得上游叶片前缘;然而,它的大小比第一个频率较小和 。上游的压力波动记录转子叶片的特征是多峰的频率chorochronic所描述的理论,揭示了FFT分析。基本频率的大小取决于更重要的重新编码位置在中跨比中心和裹尸布。此外,频率等 和最高记录点的振幅第三叶片通道。下游转子叶片,静态压力的时间演进是由频率的成分和 。叶片醒来切碎的转子叶片和下游迁移,直到转子出口,然后腐烂。的频率附近有一个小幅度可能解释的中心枢纽的形成对转子出口涡迁移。此外,高振幅频率附近的山峰被裹尸布叶片3和4,因此,压力波动引起的腔漩涡的振幅高于迁移醒来或通过漩涡中心。

静态压力的分布和即时的熵女士被数字显示21和22对于不同的规范化的轴向距离。参照系的这些参数是独立的,和他们的方位演进是连续在接口。静压轮廓(图21)突出旋转叶片的潜在效果证实了压力波的形状,从而增加叶片前缘附近。下游转子叶片,有64有叶的结构与不同形式的压力波,与转子叶片,叶片尾流切碎的振幅衰减由于混合。这些结果也证实了熵(图的轮廓22)强调区域叶片醒来除了二次流(中心和裹尸布通过漩涡…)下游迁移。叶片前缘附近的熵分布表明相关损失VRI产生一个圆周扭曲在流速明显的赤字。下游转子叶片,占主导地位的损失是那些相关的泄漏流动和迁移醒来和二次流。

图21

静态压力在不同的归一化流向截面轮廓,即时的5.17 ms。

图22

熵在不同的归一化流向截面轮廓,即时的5.17 ms。

FFT分析的空间压力波动在5.17毫秒的即时获得的记录行传递中心,附近中跨,裹尸布(96%)中描述的人物23- - - - - -25。事实上谐波零被淘汰,因为它代表了经向分布(平均场)和限定静压的衰变振幅从入口到出口。流相互作用是由无限多的旋转有叶的结构描述泰勒和Sofrin [25),由 和 旋转的速度 。产生的互动运行的转子叶片NGV生产产生的空间模式的组合叶片数和叶片数。从各自的FFT频谱,注意到的谐波 由基本近似谐波16及其倍数与频闪效应引起的NGV的叶片排在前面。在这幅图中,占主导地位的不稳定波动是由于转子跟踪本身。物理机制可以说明,例如,来自叶片尾流具有空间周期性的压痕 ,的潜在影响的行所代表的空间周期性旋转 。因此,后/潜在的相互作用转化为非线性的 。

(一)

(b)

(一)
(b)

图23

空间分布和FFT的压力,在叶片出口记录:(a) 50%跨度和(b) 96%。

(一)

(b)

(一)
(b)

图24

空间压力和FFT,记录上游转子线:(a) 50%跨度和(b) 96%。

(一)

(b)

(一)
(b)

图25

空间压力和FFT,记录下游转子叶片在:(a) 50%跨度和(b) 96%。

空间静压的经过记录中跨后的叶片后缘及其后续的光谱图中描述23显示明显的主导谐波48对应NGV醒来。叶片和叶片数存在一个共同的分频器,解释相关谐波的外观16阶叶片和叶片数量之间的组合。空间谐波的存在64年的启示的潜在影响是较小的振幅与叶片的基本谐波下游。相反,接近转子叶片(图2464),谐波的振幅增加的潜在效应变得更为重要。通过叶片排流经历突然的方位和径向压力梯度和维持叶片的后段的影响与潜在的交互效果。这些不同的积累机制有助于径向混合和能量的交换。下游的转子叶片的光谱记录压力波动(图25)64年展览基本谐波及其倍数转子叶片的空间调制和代表在转子叶片的一阶醒来但后来他们由于混合衰减。第二次空间谐波叠加组合的叶片和叶片数量之间的一阶。传入的唤醒和漩涡持续下游减毒的转子但振幅。此外,提示腔引发的波动比尾流漩涡更重要或者通过漩涡中心。

模拟基于减少域NGV 3: 4允许检测模式与谐波小于叶片和叶片数。谐波48代表的影响叶片的转子叶片醒来切碎,而谐波64代表了旋转叶片的潜在影响,而谐波16代表VRI。下游NGV,醒来的影响占主导地位,但潜在影响增加接近转子叶片。他们的影响是明显叶片和叶片但减弱下游之间的间距。从其他非定常模拟组件被认为是单通道的,除了高估了压力波动频率相关的相互作用的影响后段切碎的转子叶片和其他涡结构没有检测到。

5。结论

降低了计算域NGV 3: 4似乎妥协选择执行稳定和非定常流计算。叶片的流动结构和小费笼罩转子腔在细节特征。如图所示的唤醒和二次流下游转子叶片持续下去。基于瞬态非定常流模拟转子/定子接口允许调查的不稳定VRI强迫振动分析的有价值的数据。时间压力波动的振幅由于转子叶片传递事件及其谐波探测位置发生显著的变化。静压的圆周分布在每个组件中显示独特的谐波的存在及其倍数,与叶片/叶片数。主要的交互contibution是由于传播的潜在影响以压力波的形式的上游和下游叶片行。其他形式的VRI似乎归因于嵌入转子流扰动主要受转子叶片吸力面后扭曲侵犯,添加到裹尸布和提示腔扰动涡旋的形成较小的重要性。

命名法

C:	叶片弦(m)
:	压力系数
:	频率(赫兹)
:	焓(J /公斤)
:	湍流动能(m2/秒2)
:	质量流率(公斤/ s)
:	转速(rpm)
:	叶片/叶片数
:	静压(Pa)
再保险:	雷诺数
:	时间仿真(女士)
:	时间步长(μs)
:	温度(K)
图:	湍流强度(%)
:	自由流速度(米/秒)
:	相对流速(米/秒)
:	无量纲墙的距离
:	平均流速组件(米/秒)
:	湍流速度分量(米/秒)
:	应力张量(N / m2)。

希腊

ε:	湍流耗散率(m2/秒3)
η:	效率
μ:	动态粘度(公斤/米⋅秒)
ρ:	密度(公斤/米3)
ω:	特定的湍流耗散率。

下标

是:	等熵
:	名义上的
:	总
tt:	Total-to-total
红色:	减少
xt:	过渡。

首字母缩略词

:	叶片通过频率
惠普:	高压
NGV:	喷嘴导叶
VRI:	Vane-rotor交互
风场:	纯粹的交通压力。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者声明没有潜在的利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。