叶顶喷气带冠叶栅气动性能的实验和数值研究

摘要

涡轮叶尖泄漏控制一直是研究的热点问题，涡轮叶栅间隙泄漏流动对叶栅通道内70％-100％叶高范围内的流动产生影响，由叶顶泄漏流产生的损失比重较大，超过整个叶栅总损失的30％，因此，控制间隙泄漏，减小间隙泄漏流流量对提升涡轮效率有着重要的意义。
　　本文利用实验探究和数值模拟相结合的方法来进行对比研究。实验中对全围带带喷气叶栅、翼型围带带喷气叶栅、翼型围带密封齿带喷气叶栅三套实验叶栅进行实验研究。实验测量是在低速矩形风洞实验台上进行，并利用锥形五孔探针测量叶栅尾缘后截面的总压，静压及速度分布，并测量了相关气流角分布。研究过程中利用ansys、cfx等三维流场模拟软件对叶栅流场进行数值计算，并在计算结果中观察间隙及流道内涡系结构发展变化规律，速度流线分布，及尾缘总压损失分布云图，并与实验结果比较研究。
　　文章首先研究了全围带喷气叶栅，与无围带涡轮叶栅相比，围带结构改变了叶项约30％区域的流动特性，遏制了泄漏涡正常的发展变化。额外增设喷气会影响间隙出口处泄漏流的流动方向，虽然喷气导致泄漏涡尺寸增加，但喷气有利于改善叶项区域的总压分布，并且，喷气能够有效地抑制主流气体进入间隙。与常规无围带涡轮叶栅类似，带冠喷气叶栅中冲角变化仅对通道涡及尾缘涡有影响，泄漏涡涡系结构冲角适应性较差，主要是由于全围带涡轮叶栅中不存在传统意义上的跨叶顶泄漏流。
　　翼型喷气围带的结构是在对照研究全围带叶栅气动性能及围带对涡系结构影响的基础上，重新研究设计的叶型结构。研究重点为喷气对叶栅气动性能的影响，而非叶型结构。翼型喷气围带在一定程度上减小了叶栅总损失量，优化了叶栅整体的气动性能，但由于喷气量为0.1％、0.2％、0.3％、0.5％四种相对主流流量客观上流量较小，即使增大喷气量，叶栅整体损失变化不大。因此，在直喷的条件下，喷气量的变化叶栅整体效率影响不明显。
　　本文还深入研究了带密封齿的翼型喷气围带叶栅的性能，研究该结构叶栅间隙内流场发展变化及对流道内漩涡结构的影响。研究表明，密封齿结构明显地改变了翼型围带叶栅的涡系结构，在减小泄漏涡的同时，显著增大了主流道内涡系结构的尺度和强度，但总体而言，密封齿结构能使叶栅总损失降低20％，并能有效的阻滞间隙泄漏，减弱泄漏损失对叶栅总体气动性能的影响。带密封齿叶栅气动性能冲角适应性较好，这主要是密封齿叶栅的结构性因素消除了间隙内气流流动角度因素，在密封齿结构下，间隙泄漏流气流偏转角不再受限于流动惯性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究背景及意义

1．3 叶顶间隙泄漏控制方法

1．3．2 间隙泄漏流的主动控制

1．3．3 间隙泄漏流的被动控制

1．3．4 多种间隙泄漏流动控制方法耦合

1．4 间隙泄漏流及损失控制的研究方向

1．5 本文的研究内容

第2章 实验设备、数据测量及后处理

2．1 实验风洞介绍

2．2 实验叶型及测量参数

2．2．1 实验台及原叶型参数

2．2．2 实验测量参数

2．2．3 喷气结构介绍

2．3 实验数据采集及处理设备

2．3．2 数据采集终端及控制设备

2．3．3 信号处理系统

2．4 实验数据后处理

2．5 误差分析

第3章 喷气对全围带叶栅气动性能影响的实验及数值研究

3．3 数值模拟

3．2 计算公式

3．3 测量截面上总压损失云图及二次流分布

3．4 节距平均及截面平均总压损失

3．5 叶栅通道内涡系演变规律

3．6 冲角变化对带冠喷气叶栅气动性能的影响

3．7 小结

第4章 涡轮叶栅翼型围带直喷的实验及数值研究

4．1 引言

4．2 翼型围带喷气与不喷气实验与数值结果对比

4．3 冲角变化对翼型围带喷气叶栅气动性能的影响

4．4 不同喷气量下的对比研究

4．5 小结

第5章 翼型围带带密封齿直喷的实验及数值研究

5．1 引言

5．2 带密封齿直喷叶橱的气动性能

5．3 带密封齿直喷流道内及泄漏涡涡系结构涡系结构发展规律

5．4 冲角变化对气动性能的影响

5．5 喷气流量变化对气动性能的影响

5．6 小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢