蜂窝叶顶对高负荷涡轮叶栅顶部泄漏流动影响机制研究

摘要

面对现代航空动力技术高推重比和低耗油率的发展需求，增加涡轮气动负荷，减少涡轮级数是燃气涡轮的一大发展趋势。通过提高单个叶片的气动负荷达到减少涡轮级叶片数目的的高负荷涡轮叶片设计被广泛研究和应用。高负荷涡轮的出现随之带来了全新的问题：叶片负荷增加导致叶栅通道内的横向压力梯度增大，流体在叶片两侧压差作用下不可避免地形成间隙泄漏流动，并产生各种复杂涡系，造成叶尖区域流动复杂，增大涡轮叶尖附近的气动损失。因此，深入开展涡轮径向间隙泄漏流动及其抑制措施方面的研究对现代先进航空涡轮发动机整体性能及其经济性的提高具有重要意义。
　　可磨耗性蜂窝密封具有优良的封严特性，是典型的叶轮机械叶顶间隙密封结构。本文提出一种将蜂窝密封直接布置在涡轮叶顶的抑制泄漏流动新方案，并以某高负荷涡轮叶栅为研究对象，建立蜂窝叶顶结构物理模型。采用数值方法对比研究了有/无蜂窝叶顶结构对涡轮叶栅叶尖间隙流场结构和间隙流动损失产生机理的影响机制，分析了不同相对间隙高度和来流冲角条件对间隙泄漏流动的影响，对蜂窝叶顶在降低间隙泄漏量及泄漏相关损失、提高涡轮效率等方面的效果进行了探讨，以期为进一步研究间隙流动的控制方法提供参考依据。
　　通过对有/无蜂窝叶顶涡轮叶栅间隙流场特性及其影响因素的对比研究，结果表明，采用蜂窝叶顶设计，间隙流体流入蜂窝腔，形成旋涡运动，对间隙流体动能具有耗散作用，反冲气流在间隙内形成类似于“气动栅栏”的径向射流，增加流动阻力，进而有效减小泄漏流量。与平顶叶栅相比，1％叶高相同间隙高度下蜂窝叶顶叶栅相对泄漏量降低了约10%，流出间隙的泄漏流周向速度减小了20%左右。蜂窝叶顶叶栅中泄漏涡的形成和发展被削弱，导致泄漏涡与主流、尾迹等的掺混损失减小，对叶栅损失的降低有积极的作用，其出口能量损失系数较平顶叶栅减小了约4%。间隙高度的增加直接带来了间隙流量的增大，使得间隙泄漏流动增强，泄漏损失增加，考虑蜂窝可磨耗性，蜂窝叶顶叶栅可以进一步减小间隙高度，对泄漏流动的抑制有显著的效果。此外，来流冲角的变化会影响涡轮叶栅间隙泄漏流场及旋涡结构，使得叶顶泄漏涡和通道涡的形成位置和发展尺寸发生明显改变。不同间隙高度和来流冲角条件下，蜂窝叶顶对泄漏流动都有明显的抑制效果。

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第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 叶顶间隙泄漏流动的认识及研究进展

1.2.1 叶顶间隙流动的概述

1.2.2 叶顶间隙流动的研究进展

1.3 抑制间隙泄漏流动措施的研究综述

1.3.1 蜂窝机匣密封

1.3.2 叶顶/机匣修型

1.3.3 翼梢小翼

1.3.4 叶顶肋条/凹槽结构

1.4 本文的主要研究内容

第2章 物理模型与数值计算方法

2.1 物理模型简介

2.2 数值计算方法

2.2.1 控制方程

2.2.2 湍流模型

2.3 计算网格及边界条件

2.3.1 计算网格

2.3.2 计算边界条件

2.4 数值计算方法验证

2.5 本章小结

第3章 有/无蜂窝叶顶叶栅泄漏流场及损失分析

3.1 引言

3.2 蜂窝叶顶对泄漏量的影响

3.3 蜂窝叶顶对泄漏流场细节的影响

3.3.1 叶顶间隙内流场分析

3.3.2 泄漏涡在叶栅通道内的发展

3.3.3 叶片负荷变化

3.3.4 叶栅出口流场分析

3.4 蜂窝叶顶对泄漏损失的影响

3.4.1 叶栅通道损失沿程分布

3.4.2 耗散函数分析

3.4.3 叶栅出口损失分布

3.5 本章小结

第4章 间隙高度和来流冲角对泄漏流场特性的影响

4.1 引言

4.2 间隙高度对叶栅泄漏流动的影响

4.2.1 间隙高度对叶尖泄漏量的影响

4.2.2 间隙内流场特性分析

4.2.3 泄漏涡的形成和发展

4.2.4 叶栅泄漏损失分布

4.3 来流冲角对有/无蜂窝叶顶叶栅泄漏流动的影响

4.3.1 叶栅总性能分析

4.3.2 叶栅型面压力分布

4.3.3 叶栅出口损失和二次流矢量分布

4.3.4 叶栅泄漏量随冲角变化

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢