葉尖間隙對微渦輪葉柵內(nèi)流影響機理與葉尖逆向渦控研究.pdf

1、微型渦輪發(fā)動機以其重量輕、功率大、能量密度高的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用在軍/民用領(lǐng)域，近年來得到了空前關(guān)注和發(fā)展。微型渦輪發(fā)動機尺寸顯著減小帶來的工作雷諾數(shù)低及較大的葉尖間隙比阻礙了其性能的進一步提高，而國內(nèi)外對微型渦輪發(fā)動機這方面的研究較少或未見公開報道。因此，本文針對影響微型渦輪葉片性能的低雷諾數(shù)和葉尖間隙問題開展了研究，主要包括以下內(nèi)容：
　　 (1)將新型非接觸式壓敏涂料測壓技術(shù)應(yīng)用在毫米尺度流場領(lǐng)域，自主研制該測壓系統(tǒng)的部分子系

2、統(tǒng)，包括設(shè)計基于LED陣列的激發(fā)光源系統(tǒng)、加裝顯微放大系統(tǒng)、噴涂及熱處理設(shè)備；設(shè)計了壓敏涂料測壓技術(shù)的標(biāo)定系統(tǒng)并完成典型壓敏涂料的標(biāo)定實驗；建立了一套完整的適用于毫米尺度流場領(lǐng)域的壓敏涂料測壓系統(tǒng)，應(yīng)用該測壓系統(tǒng)研究了毫米尺度微渦輪葉柵低雷諾數(shù)及葉尖間隙對吸力面壓力的影響。
　　 (2)以數(shù)值模擬和實驗測量相結(jié)合的方法研究了毫米尺度微渦輪葉柵低雷諾數(shù)流動特征，揭示了微葉柵通道主要二次流的形成、發(fā)展及其相互作用；毫米尺度葉柵低雷諾

3、數(shù)時通道渦中心總壓損失明顯高于常規(guī)尺度葉柵，通道渦沿程在柵距方向的影響范圍明顯增加；在10％軸向弦長之后毫米尺度微葉柵擬S3截面平均總壓損失大于常規(guī)尺度葉柵，且60％軸向弦長之后平均總壓損失急劇上升，遠(yuǎn)超常規(guī)尺度葉柵。
　　 (3)研究了葉尖間隙對毫米尺度微渦輪葉柵流場的影響及其影響機理，發(fā)現(xiàn)葉尖間隙內(nèi)葉片前部氣流在吸力面出口已摻混均勻，而在葉片后部速度沒有完全摻混，出口為混合速度層；隨著葉尖間隙增大，葉尖泄漏流量成比例增加，葉

4、片受到的周向載荷減小，M1=0.1時，葉尖間隙每增加1％，葉尖泄漏流量平均增加17.5％，周向載荷平均降低2％。壓敏涂料測壓技術(shù)對不同葉尖間隙吸力面的測量結(jié)果表明5％葉尖間隙吸力面壓力分布與10％、1.5％葉尖間隙吸力面壓力分布明顯不同，在吸力面后部靠近葉頂處出現(xiàn)高壓力區(qū)域，與其他間隙時泄漏形成的低壓區(qū)現(xiàn)象相反。
　　 (4)提出了利用逆向渦流器減小葉尖泄漏流的方法，利用壓力面和葉頂面的壓力差將氣流從主流通道壓力面?zhèn)纫?，在葉頂

5、面以一定角度逆著葉尖泄漏流方向高速射出，從而減小泄漏流量并降低泄漏造成的葉輪損失。對影響逆向渦流器減小葉尖泄漏流的主要因素如孔徑比、渦流器布置位置、布置密度以及出流角進行研究，增加渦流器入流與出流孔徑比、在葉片中后部布置渦流器、適當(dāng)減小出流角可以增加渦流器流量、減小葉尖泄漏流量、提高葉片周向載荷。
　　 (5)對逆向渦流器減小葉尖泄漏流的方法進行了實驗驗證，通過改進微細(xì)電火花加工流程、設(shè)計整級“梳”妝電極成功在毫米尺度微渦輪葉柵