主流共轭转静盘腔流动换热及盘缘封严特性研究

摘要

在航空发动机空气系统中，通常从压气机引气对涡轮盘腔进行径向吹风冷却，过多的冷气泄漏量会降低主流燃气平均温度进而降低发动机的性能。为此，转静盘之间设置盘缘封严结构以减少冷气泄漏流量，并且盘缘封严结构还起到防止主流燃气入侵到盘腔的作用。本文以涡轮转静盘腔及盘缘封严结构作为研究对象，从盘腔流动换热、盘缘泄漏封严特性两个方面展开了数值计算、理论分析和试验研究。　　本文借助共轭换热数值方法，研究了次流无量纲流量、旋转雷诺数、盘缘结构参数对转静盘腔流动换热特性的影响。发现旋转雷诺数及次流无量纲流量二者的相对大小是控制转盘换热的决定性因素，表征盘腔内换热的努塞尔数可以表示为盘腔流体“绝对速度”的函数。封严间隙和封严环结构形式改变对于盘腔流动换热的影响主要集中在封严通道。采用理论分析方法，基于转盘外环面共轭换热条件，建立了转盘温度分布一维理论模型。　　采用旋转二维轴对称数值手段，获得了次流无量纲流量、旋转/主流雷诺数、盘缘结构参数对盘缘泄漏和封严特性的影响规律。发现增大旋转雷诺数和主流雷诺数都会降低封严效率，但是二者对封严效率的影响存在羁绊效应。针对单/双挡环封严结构，分别改进设计了内环型和咬嘴型盘缘封严结构。　　使用周期性数值方法，揭示了次流无量纲流量、旋转/主流雷诺数、导叶结构参数对盘缘泄漏封严特性的影响机理。外部诱导燃气入侵存在两种形式：主流在导叶尾缘分离降速升压诱导燃气入侵；主流撞击到转盘壁面速度滞止升压诱导燃气入侵。由于盘腔内的径向正压梯度，主流诱导的入侵气体集中在高半径而无法深入至低半径。　　通过提炼本文的研究成果，结合前人的研究基础，构建了燃气入侵理论模型。通过假设盘腔旋流压力梯度为径向线性分布，得到了影响燃气入侵的三个关键因素：盘腔内外压差、次流旋流压力和主流旋流压力；进一步假设次流旋流压力为轴向线性分布，考虑了主流的切向非均匀，求解封严环内外压差获得速度分布剖面，进而获得出流/入流流量和封严效率。并采用C语言编制了封严效率预测程序。　　最后，对四种盘缘封严结构的泄漏特性进行了试验研究，并对主流加热进行了试验。发现随着盘腔次流压比的增大，流量系数增加；随着旋转雷诺数的增大，流量系数略微增加；随着主流温度的升高，主流热量通过转盘传递至次流并对其进行了加热，使得次流温度增大，内摩擦增加，流量系数降低。　　本文研究成果可为先进航空发动机空气系统设计提供技术支撑，且具有较广的应用前景。

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