为探究格尼襟翼对垂直轴风力机气动性能的影响,结合TSST湍流模型对直线翼垂直轴风力机展开数值模拟研究。结果表明低尖速比下,格尼襟翼可显著提升垂直轴风力机的气动性能,但在高尖速比下会降低气动性能;垂直轴风力机组间流体速度随尖速比的增大而增加,此高速流体可有效提升机组风能利用系数;因上游风力机组间流体加速作用,下游风力机在各尖速比下的气动性能均高于原始单风力机,且当尖速比为2.72时,下游风力机最大平均力矩比原始单风力机提高20.3%;上游风力机组安装格尼襟翼可有效提高机组间流体加速效果,使下游风力机迎风速度更高,尖速比为2.51时,格尼襟翼风力机组的下游风力机平均力矩比原始单风力机和原始格尼襟翼风力机分别提高36.5%和24%。

为分析弯扭耦合叶片的力学性能,基于三维建模软件NX二次开发建立NREL 5 MW风力机叶片壳体模型,进一步对叶片进行复合材料铺层设计,通过镜像偏置主梁纤维实现叶片气动弹性剪裁,采用CFD方法计算叶片表面压力分布,结合有限元方法对其进行模态、静力学及屈曲计算,以研究主梁偏置角度对弯扭耦合叶片力学性能的影响。结果表明当主梁偏置角度较小时,弯扭耦合叶片表面最大应力小于传统叶片,其中以偏置角度为-15°时效果最佳,表面最大应力降幅最高为14.78%;相比传统叶片,弯扭耦合叶片各阶固有频率及屈曲因子均有所降低,且正向与反向偏置同角度的叶片固有频率和屈曲因子下降量较接近,主梁偏轴镜像铺设对叶片挥舞振动影响较大;主梁偏置角度对叶片抗屈曲能力产生一定影响,叶片临界屈曲载荷最大降幅约为78%;应重点关注弯扭耦合叶片固有频率及屈曲因...

通过改变椭圆长短轴比来构造不同曲率的翼缝,并研究了翼缝开口宽度和不同曲率对垂直轴风力机功率系数和启动特性的影响。结果表明在低尖速比、大攻角下弯曲翼缝翼型使流体重新附着于吸力面,有效延缓了流动分离,使扭矩波动减小,且扭矩系数较原始翼型显著提高;与原始翼型相比,弯曲翼缝翼型的最佳尖速比较低,风力机运行环境更加稳定。

蜂窝密封是抑制透平机械流体泄漏、提高系统稳定性的重要部件。建立蜂窝密封非定常数值计算模型,研究不同进口流体预旋比和孔序对密封动力特性的影响,并分析蜂窝密封内部流动特性。研究表明不同预旋比和孔序对蜂窝密封直接刚度系数和直接阻尼系数影响较小,但正预旋比和交错孔结构会导致蜂窝密封平均交叉刚度系数增大、有效阻尼系数降低,负预旋比将降低蜂窝密封平均交叉刚度系数、提高有效阻尼系数。预旋可有效改善蜂窝密封孔内周向压力分布的均匀程度,然而交错孔结构易增加孔内周向压力不均匀程度。进口流体正预旋和交错孔结构使转子表面负的气流力绝对值减小,增大转子涡动速度和位移,降低系统稳定性。而负预旋可有效增大负的气流力的绝对值,进而提高系统稳定性。进口流体预旋对蜂窝密封泄漏量影响较小,而交错孔蜂窝密封...

为研究超临界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide,SCO2)扇贝阻尼密封在不同工况下动力稳定性,建立SCO2扇贝阻尼密封数值计算模型,分析进口压力、温度及转速对SCO2扇贝阻尼密封动力特性及泄漏特性的影响。结果表明直接复合刚度随涡动频率增加由正变负;交叉复合刚度随进口温度、压力增加而减小,随转速增加而增大;SCO2扇贝阻尼密封的有效阻尼随进口温度、转速增加而减小,随进口压力增加而增大,进口压力为8.1 MPa时有效阻尼约为7.7 MPa时的1.7~2.9倍;扇贝阻尼密封直接复合刚度、有效阻尼整体上大于迷宫密封,稳定性高于迷宫密封,但泄漏量略高于迷宫密封。

采用计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)方法建立了贯通式袋型阻尼密封(fully partitioned pocket damper seal,FPDS)三维数值模型,并研究密封齿数Nb、密封齿厚度b及主/副腔室长度比λ对密封动力与泄漏特性的影响。结果表明FPDS有效阻尼Ceff与直接刚度K的频率依赖性较高,直接阻尼C与交叉刚度k的频率依赖性较低且随着涡动频率的增加而降低;有效阻尼Ceff随齿数、密封齿厚度的增加而增大,而主/副腔室长度比对Ceff影响相对较小,在研究工况范围内,Nb=12时Ceff最高,较原始模型平均提高约12.69%,密封齿厚度b=5.048 mm时有效阻尼Ceff为原始模型的111%~138%,当主/副腔室长度比λ=5.1时有效阻尼Ceff仅为原始模型95%~105%;FPDS泄漏量随密封齿数减小而急剧增加,且主/副腔室长度比λ存在最佳值(λ=1)使密封泄漏性能最优,而密封齿厚度对密封泄漏量影响较小。

密封是透平机械减小泄漏的关键部件,其气流激振特性对转子系统稳定性具有重要影响。该研究基于计算流体力学与多频涡动密封动力特性系数识别方法研究逆滞流迷宫密封气流激振特性,计算分析逆滞流喷嘴结构参数及位置对迷宫密封动静特性的影响,揭示其抗气流激振机理。结果表明:逆滞流喷嘴能有效抑制周向流动,改善密封腔压力分布,提高系统稳定性;与传统迷宫密封相比,逆滞流迷宫密封具有更小交叉刚度k、更大直接阻尼C与有效阻尼C eff,特别在低涡动频率下,效果更显著;相同结构参数逆滞流喷嘴的径向位置存在最佳值,当型心高度h c=1.65 mm(径向中心)时密封有效阻尼C eff最大;增大喷嘴进口高度h in、减小进出口高度比例h out/h in均有利于提高系统稳定性;喷嘴进口高度h in=1.00 mm、进出口比例h out/h in=0.25、型心高度h c=1.65 mm为计算工况下最优结构,但泄漏...

在建立倾斜齿迷宫密封三维数值模型的基础上,应用密封动力特性识别模型和数值计算方法,研究了倾斜齿迷宫密封动力特性和减振机理。结果表明相比于直齿迷宫密封(Straightteeth labyrinth seal, STLBS),前倾齿迷宫密封(Forward inclined-tooth labyrinth seal, FILBS)泄漏量明显偏低,而后倾齿迷宫密封(Backward inclined-tooth labyrinth seal, BILBS)泄漏量明显偏高;3种迷宫密封动力特性系数关系为FILBS>STLBS>BILBS,且BILBS动力特性系数对后倾角变化更敏感。随前倾角增大,存在最佳倾角范围(45°~60°)使得密封有效刚度几乎保持不变,有效阻尼最高;与STLBS相比,FILBS可增大转子表面负的切向力绝对值,使密封动力稳定性提升,而BILBS易导致密封稳定性下降。

设计搭建密封动力特性实验识别装置,基于阻抗法对交错式迷宫密封动力特性系数开展实验识别,并与数值计算结果进行对比。结果表明数值计算的结果整体上略小于实验识别的交错式密封动力特性系数,但随涡动频率变化趋势上具有良好吻合性,应用阻抗法可有效识别密封动力特性。实验与数值计算所得交错式迷宫密封直接刚度系数恒为负值,存在静态不稳定问题;有效阻尼在低频时为负值,其绝对值同进口压力及转速正相关,中高频激励时转为正值,随涡动频率变化较为稳定。

蜂窝密封是减小透平机械工质泄漏的重要部件,本文设计并搭建了蜂窝密封泄漏实验装置,采用实验与理论相结合的方法,研究了背压阀门开度λ、转速及进口压力对蜂窝密封泄漏量的影响。结果表明实验结果与理论计算吻合较好,相对误差在6%以内;在同一背压阀门开度下,密封泄漏量随着进口压力增大而增加,随着转速升高密封泄漏量几乎保持恒定;在进口压力和转速不变情况下,密封泄漏量随着背压阀门开度的增大而增加,当背压阀门开度λ=1时泄漏量达到峰值;与背压阀门开度λ=1相比较,当背压阀门开度λ=0时密封泄漏量最高可降低约15.9%。