葉尖小翼控制渦輪葉柵間隙流動的研究.pdf

1、燃?xì)廨啓C(jī)作為重要的動力裝置之一，廣泛應(yīng)用于發(fā)電、航空飛行器、艦船動力、機(jī)械驅(qū)動等領(lǐng)域。我國未來能源動力市場需求巨大，國家“十三五”規(guī)劃中將航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，工信部也在2016年初啟動了航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)。先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)是各國科技領(lǐng)域的重點(diǎn)研發(fā)對象，而渦輪作為燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件，其技術(shù)的完善程度與整機(jī)性能直接相關(guān)。渦輪動葉葉頂間隙流動是引起渦輪流動損失的重要因素之一，葉頂間隙泄漏流與主流的摻混對流場結(jié)構(gòu)和載

2、荷分布產(chǎn)生重要影響，如果控制不好，將使流動損失增加、葉片做功能力下降。加裝葉尖小翼能有效控制渦輪葉頂間隙泄漏流動，改善渦輪內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)、減少泄漏損失、提高效率。國外對渦輪葉尖小翼技術(shù)有了一定的研究，國內(nèi)目前還缺乏全面系統(tǒng)的研究。
　　本文采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究結(jié)合的方法，開展應(yīng)用葉尖小翼控制渦輪葉柵葉頂間隙泄漏流動的研究，獲得加裝葉尖小翼的渦輪葉柵在不同幾何和氣動參數(shù)下的性能特性，揭示葉尖小翼控制渦輪葉柵葉項(xiàng)間隙流動的作用機(jī)理。

3、>　　首先，采用實(shí)驗(yàn)方法對無葉頂間隙和有葉頂間隙的無葉尖小翼的渦輪葉柵以及加裝有不同寬度和安裝位置的葉尖小翼的9套葉柵進(jìn)行研究，分析和討論了渦輪動葉葉柵間隙損失產(chǎn)生機(jī)理及葉頂間隙對渦輪葉柵流動的影響，研究了不同寬度和安裝位置的葉尖小翼對控制渦輪間隙泄漏流動的機(jī)理，并利用數(shù)值研究方法對實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充分析。結(jié)果表明，葉頂間隙的存在會產(chǎn)生間隙泄漏流動，所形成的泄漏渦與上通道渦相互作用，使上通道渦位置遠(yuǎn)離上端壁向葉柵中部移動。隨著間隙高

4、度的增加，泄漏流動強(qiáng)度增大，泄漏渦強(qiáng)度增強(qiáng)且影響范圍擴(kuò)大，泄漏渦運(yùn)動軌跡向相鄰葉片的壓力面?zhèn)纫苿?，出口流場不均勻程度增大，葉柵總壓損失增加。
　　在設(shè)計(jì)沖角下，不同方案的葉尖小翼均使泄漏渦運(yùn)動軌跡向遠(yuǎn)離吸力面的方向發(fā)展，吸力面小翼和組合小翼改變泄漏渦運(yùn)動軌跡的程度更明顯。最佳的葉尖小翼寬度為1.2倍當(dāng)?shù)厝~片厚度，安裝此種葉尖小翼后葉柵泄漏損失最小，葉柵的總壓損失也最低，吸力面小翼削弱了葉頂泄漏流動的強(qiáng)度，使泄漏渦向相鄰葉片壓力面?zhèn)?/p>

5、移動，與上通道渦相互作用，卷吸上通道渦內(nèi)的低能流體，減弱上通道渦的強(qiáng)度和影響范圍，從而使葉柵的總壓損失降低。最佳的壓力面小翼寬度為0.3倍當(dāng)?shù)厝~片厚度，組合小翼的效果優(yōu)于壓力面小翼但不如吸力面小翼。
　　隨后，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究了在設(shè)計(jì)沖角下，不同間隙高度時(shí)無葉尖小翼渦輪葉柵和不同寬度和安裝位置的葉尖小翼渦輪葉柵的流動情況。結(jié)果表明，間隙較大或較小時(shí)，寬度為0.4倍當(dāng)?shù)厝~片厚度的壓力面小翼控制葉頂間隙泄漏的作用較好，中等間隙高度時(shí)，寬

6、度為0.3倍的壓力面小翼效果較好。吸力面小翼在不同間隙高度時(shí)，均能使葉柵泄漏流動減弱，向后推移泄漏渦產(chǎn)生位置，同時(shí)減弱上通道渦損失，使葉柵上半葉高出口氣流角偏轉(zhuǎn)程度減弱，吸力面?zhèn)热~片表面的靜壓分布更趨近與葉片中部。不同間隙下最佳寬度的吸力面小翼寬度均為1.2倍當(dāng)?shù)厝~片厚度，且隨著間隙高度的增加，其控制間隙泄漏流動的效果越好。吸力面小翼還一定程度上降低了渦輪葉柵對間隙變化的敏感性，吸力面小翼對泄漏流動的控制效果基本不受間隙高度變化的影響。

7、組合小翼在間隙高度不同時(shí)對渦輪葉柵間隙泄漏流動的控制效果均不如吸力面小翼好，但比壓力面小翼作用效果好。組合小翼在大間隙工況時(shí)改善葉柵出口氣流角的偏轉(zhuǎn)程度的效果最佳，使出口流場趨于均勻。
　　最后，研究來流沖角改變時(shí)，無葉尖小翼渦輪葉柵和不同寬度和安裝位置的葉尖小翼渦輪葉柵間隙流動的影響情況。結(jié)果表明，無葉尖小翼時(shí)，隨著來流沖角由負(fù)到正，泄漏渦逐漸減小，泄漏渦的運(yùn)動軌跡逐漸向葉片吸力面?zhèn)瓤拷?，泄漏損失降低，但吸力面分離加劇，導(dǎo)致上通

8、道渦逐漸增強(qiáng)，葉柵總壓損失增大，葉柵出口氣流角偏轉(zhuǎn)程度增加。沖角增大使吸力面前部分離加劇，近葉頂區(qū)域吸力面?zhèn)惹安快o壓降低，中后部由于泄漏渦的減小，吸力面?zhèn)热~片表面靜壓升高。壓力面小翼在不同沖角下均對葉頂泄漏流動具有一定的控制效果，在設(shè)計(jì)沖角和較小的正沖角工況下0.3倍當(dāng)?shù)厝~片厚度的壓力面小翼作用效果較好;較大正負(fù)沖角時(shí)，小翼寬度較大的壓力面小翼效果較好。壓力面小翼有助于提高渦輪葉柵穩(wěn)定工作的沖角范圍，使渦輪在變沖角條件下具有更好的氣動性