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三轴反转涡轮部件非定常气动仿真分析

杨杰高级工程师

中国航发湖南动力机械研究所

提纲

?研究背景

?研究方法

?研究对象

?计算网格

?数值方法

?研究结果

?性能参数计算结果分析

?性能参数的非定常特征分析

?性能参数的频谱特征分析

?S2流面流场特征分析

?S1流面流场特征分析

?三维流场动画

?研究结论

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研究背景

?涡轮内部流动数值仿真的廉价性与可实现性

?三轴反转涡轮部件结构形式及其流动仿真

?涡轮内部流动的非定常性与非定常仿真

?涡轮内部流动非定常仿真方法

?本文的研究工作

ANSYSINNOVATIONCONFERENCE2020

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研究方法

?研究对象

?1+1+4级三轴反转涡轮部件：HT（1级）、LT（1级）、PT（4级）

?通过对各排动叶叶片数进行约化处理，调整为1/4环

?约化比：约化前叶片数与约化后叶片数之比

叶片排HT动叶LT动叶PT1动叶PT2动叶PT3动叶PT4动叶

约化比0.97921.02080.97220.95830.98440.9853

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研究方法

?计算网格

?计算域为三轴反转涡轮的1/4环，总网格量约为8000万

?叶片及上下流道表面Y+值不超过5

?动叶叶尖间隙内有15层网格

?计算域进口位置位于约0.5倍高压涡轮导叶叶中处轴向弦长

?计算域出口位置位于约1.5倍未级动力涡轮动叶叶中处轴向弦长

计算域示意图

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研究方法

?数值方法

?湍流的模拟采用剪切应力输运模型（SST模型）

?N-S方程和湍流输运方程的对流项的离散均采用高阶格

式

?时间项的离散采用二阶向后欧拉格式

计算格式

?时间步长取一倍高压动叶通过周期的1/30

?非定常计算进行了约150个动叶通过周期后，得到了

流场的收敛解

?分别以Stage及FrozenRotor作为转静交接面模型进行了

两种定常计算，后者计算结果为非定常计算的初场

非定常计算残差收敛历程非定常计算性能参数收敛历程

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研究结果

?性能参数计算结果分析

性能参数计算结果

性能参数非定常时均非定常相对极差定常Stage定常FRStage差异FR差异

Eff_HT88.41%0.51%87.78%88.23%-0.63%-0.18%

Eff_LT85.28%7.52%85.84%85.31%0.56%0.03%

Eff_PT88.75%0.90%89.30%89.69%0.55%0.94%

Eff_PTNI90.66%1.57%91.67%91.66%1.01%1.00%

Eff_PT180.06%3.35%77.84%80.29%-2.21%0.23%

Eff_PT286.72%3.21%89.65%87.57%2.93%0.85%

Eff_PT393.53%1.48%94.60%94.11%1.07%0.58%

EFf_PT489.70%0.78%90.50%90.31%0.80%0.61%

TPRec_S10.97750.17%0.97830.97800.09%0.05%

TPRec_R10.91781.01%0.92010.91610.25%-0.19%

TPRec_S20.94932.24%0.95790.94990.91%0.06%

TPRec_R20.92812.60%0.93590.92880.84%0.08%

TPRec_S30.96871.32%0.97110.96800.24%-0.08%

TPRec_R30.98090.40%0.98840.98220.77%0.14%

TPRec_S40.98020.51%0.98590.98080.58%0.06%

TPRec_R40.98580.45%0.99080.98770.50%0.19%

TPRec_S50.98550.27%0.98790.98630.24%0.09%

TPRec_R50.99230.18%0.99400.99280.17%0.05%

TPRec_S60.98720.11%0.98830.98770.11%0.06%

TPRec_R60.99040.08%0.99320.99200.29%0.16%

?HT非定常时均效率比两种定常高；LT非定常时均效率比Stage定常低，与Fr