船用燃气轮机涡轮叶顶间隙泄漏流动及控制技术研究

摘要

燃气轮机涡轮内部流场是异常复杂的三维有粘流动，涡轮叶顶间隙损失为其气动损失的主要来源之一。船用燃气轮机总是处于变工况条件下运行，这进一步恶化了叶顶间隙端区流场，同时工况变化等因素还使得叶顶间隙高度、间隙形态发生变化且变化幅度比较明显，所有这些皆严重影响涡轮性能。因此，为了进一步改善船用燃气轮机涡轮性能，不但要研究在叶顶间隙高度不变的情况下如何减少间隙泄漏损失，并且要研究如何降低涡轮性能对间隙高度变化的敏感性，还要考虑工况变化带来的影响，以期达到对全工况范围内叶顶泄漏损失机理的深入理解，进而采取相关措施对全工况范围内间隙泄漏损失进行可靠有效控制，从而提高燃气涡轮整个运行工况范围内的效率水平。
　　首先，本文研究了叶顶间隙和进口攻角大范围变化下涡轮叶顶间隙泄漏流动结构及其损失产生机理，揭示了只有在适当的间隙尺度下，叶顶间隙泄漏涡和通道涡的相互作用才能被有效利用。并且，叶顶间隙泄漏流动情况可根据其泄漏位置进一步细分为“直接泄漏”和“间接泄漏”两种类型，而大多数的间隙泄漏流动是由叶顶后部的横向压差，也就是间接泄漏造成的。在此基础上，研究了叶顶间隙泄漏涡的破碎现象，并探讨了间隙高度对泄漏涡结构及其破碎特性的影响，以及叶顶泄漏涡破碎与损失的关联关系，发现了涡轮叶顶间隙泄漏涡具有不稳定特性，叶顶间隙端区大量的掺混损失发生在泄漏涡破碎之后，并且是叶顶泄漏流产生损失的主要部分。
　　其次，开展了涡轮叶顶间隙流动被动控制技术研究，分别从控制叶顶泄漏流量和控制动叶通道内叶顶泄漏涡和通道涡的相互作用两个方面系统研究了叶顶间隙流道结构改进对涡轮动叶端区性能的影响，具体包括叶顶凹槽结构改进、叶顶间隙形态、动叶机匣端壁造型以及叶片带冠等。研究发现，凹槽内布置正对泄漏流方向肋条的叶顶结构具有良好的气动性能和攻角适应性，相对平顶动叶，涡轮设计点效率可提高0.41％。轴向非均匀间隙概念可有效利用叶片通道内泄漏涡和通道涡的相互作用，进而改善间隙端区损失，其中前台阶型间隙使得涡轮效率提高了0.3％。并提出了基于台阶设计的机匣端壁造型技术，研究发现虽然机匣上引入台阶结构导致了较大的分离损失，但机匣端壁造型可有效减少叶顶泄漏损失且控制效果特别明显。此外，还探讨了叶片带冠后端区流动损失的产生机制，揭示了如果叶冠间隙泄漏流在重新进入主通道时能够被有效折转并且加速，涡轮级性能可以被进一步改善，并且发现叶片带冠降低了涡轮性能对间隙高度变化的敏感性。
　　继而，开展了涡轮叶顶间隙流动（主被动）复合控制技术研究，首先分析了涡轮叶顶间隙端区上游尾迹、泄漏涡/掺混区和下游通道涡之间的干涉机理，探讨了间隙端区非定常效应应用于叶顶间隙非定常控制的可行性，然后分别从控制泄漏涡破碎、适应叶顶间隙和工况变化影响三个方面对叶顶间隙流动复合控制参数进行了优化。研究发现，叶顶喷气对间隙泄漏涡的稳定性及损失产生了明显影响，在叶顶间隙前侧喷气可有效延迟泄漏涡破碎，并使得涡轮性能随喷气量增加而快速增加；叶顶喷气对间隙泄漏的控制作用是叶顶表面处理和喷气共同作用的结果，在相对小的间隙下，叶顶喷气产生更大的阻塞作用，而在相对大的间隙下，叶顶凹槽作用显现，整体上0.5％喷气量在减少叶片上半区域损失方面是最佳的；并提出了有效改善涡轮全工况气动性能的间隙非均匀喷气构想，可使涡轮全工况效率增加0.15％。
　　最后，从如何降低涡轮性能对间隙高度变化的敏感性这一角度出发，研究了分别采用被动、主动以及复合间隙控制方法的凹槽顶、平顶喷气、凹槽顶喷气这三种不同的叶顶结构下涡轮性能对间隙高度变化的敏感性，并考虑了变工况影响，发现了涡轮叶顶喷气明显降低了涡轮性能对间隙变化的敏感性，而凹槽顶结构具有最佳的攻角变化适应性，因而合理的凹槽顶联合喷气设计不仅能提高涡轮效率，而且能有效降低涡轮性能对间隙变化的敏感性，还可有效改善涡轮变工况性能。

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第1章绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2涡轮叶顶间隙泄漏流动研究进展

1.3涡轮叶顶间隙被动控制技术研究进展

1.4涡轮叶顶间隙主动控制技术研究进展

1.5本文的主要工作

第2章 涡轮叶顶间隙流场计算方法及试验验证

2.1计算对象

2.2控制方程与湍流模型

2.3计算网格

2.4边界条件

2.5本文计算方法验证

2.6本章小结

第3章 涡轮叶顶间隙流动结构及损失机理研究

3.1叶顶间隙泄漏流动结构及损失分析

3.2 叶顶泄漏涡破碎对损失的影响

3.3 本章小结

第4章涡轮叶顶间隙流动被动控制技术研究

4.1叶顶间隙泄漏流动控制原则

4.2叶顶凹槽形态对动叶气动性能的影响

4.3叶顶间隙形态对动叶气动性能的影响

4.4机匣端壁造型对动叶气动性能的影响

4.5叶片带冠对动叶气动性能的影响

4.6本章小结

第5章涡轮叶顶间隙流动复合控制技术研究

5.1叶顶间隙端区二次流干涉及非定常控制可行性分析

5.2基于涡破碎控制的叶顶喷气控制参数优化

5.3基于变叶顶间隙影响的叶顶复合控制参数优化

5.4基于变工况影响的叶顶复合控制参数优化

5.5本章小结

第6章涡轮叶片叶顶间隙变化减敏技术研究

6.1不同叶顶结构

6.2叶顶间隙变化对间隙流场结构及损失的影响

6.3涡轮性能随叶顶间隙的变化规律

6.4变工况影响

6.5本章小结

结论

取得的主要成果和结论

本文的主要创新点

工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢