渦輪間隙流動主動控制的試驗研究及數(shù)值模擬.pdf

1、燃氣輪機作為能量轉(zhuǎn)換和動力傳遞的裝置,被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟中的各個領(lǐng)域,屬能源與動力行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備,也是航空動力工程中的核心組成部件。
　　 為了進一步改善燃氣輪機性能,一個很重要的方面就是必須對其內(nèi)部復(fù)雜三維流動有足夠的認識,以降低流動損失、提高燃氣輪機整體效率水平。而動葉葉頂間隙流動是導(dǎo)致流道內(nèi)流動損失增大、換熱條件惡化、渦輪整體效率降低的重要因素之一。但由于受測量技術(shù)的限制,目前對動葉葉頂間隙流動的研究尚存在較多亟需深入研

2、究的內(nèi)容。
　　 本文利用亞音速平面葉柵試驗臺模擬了葉頂間隙流動,并對平面葉柵出口截面上總壓、氣流角以及出口速度分布進行了試驗測量。同時,通過在葉片表面設(shè)置的靜壓孔,測量了葉片中部以及靠近葉頂截面的葉表靜壓分布。結(jié)合三維數(shù)值計算的方法,揭示了間隙內(nèi)部流場分布、間隙進出口速度、間隙流量等試驗難以測量的物理量和流動細節(jié)。
　　 本文首先深入研究了間隙高度、葉片與外殼相對轉(zhuǎn)動速度以及葉柵進口沖角對間隙流動的影響情況,對間隙流動

3、的形成機理進行了深入地分析。研究發(fā)現(xiàn),間隙高度增加時,通過間隙的流量增大,間隙渦尺寸及強度都隨之大幅增加,葉柵通道內(nèi)氣流過偏/偏轉(zhuǎn)不足現(xiàn)象加劇,間隙流動引起的損失也基本呈線性增大；而葉片與外殼之間的相對轉(zhuǎn)動會抑制并使得間隙入口速度減小,減弱通過間隙的流量,從而降低間隙流動損失；葉柵進口沖角改變時,間隙流動損失也隨之變化?？梢钥闯?在負沖角i=-8.5°時,間隙流動引起的損失減小,而在正沖角時,間隙流動損失迅速增大。
　　 在此基

4、礎(chǔ)上,本文對采用葉頂噴氣的主動控制方法來削弱間隙流動對渦輪性能的影響進行了研究。由外部空氣壓縮機提供葉頂噴氣所需的空氣,這部分氣體通過葉片空腔然后從葉頂布置的成排小孔噴出。噴氣孔與葉頂表面存在一個夾角,其方向是使得噴出氣體能阻礙流體進入間隙,從而降低間隙流量,削弱間隙流動。葉柵出口截面上總壓測量結(jié)果表明,葉頂噴氣確實能夠阻礙間隙流動的形成,減小間隙流量,降低間隙流動損失,間隙流量最大下降幅度達78.25％,間隙流動損失最大可減少約21.

5、59％。
　　 本文通過研究不同噴氣參數(shù)變化對噴氣效果的影響,對葉頂噴氣方案的控制機理有了較為深入的理解,得出了各個參數(shù)對間隙流動控制效果的影響規(guī)律,并得到了試驗條件下的最優(yōu)噴氣方案。文中所研究的噴氣參數(shù)主要包括噴氣孔在葉片厚度/弦長方向上的分布、葉頂噴氣切向/流向角度等。
　　 試驗結(jié)果表明,對于噴氣孔在葉片厚度方向上的分布,當(dāng)噴氣孔布置在靠近葉片壓力邊位置時,能獲得最佳的控制效果,間隙渦幾乎消失并與葉柵尾跡融合在一起

6、；而對于噴氣孔在葉片弦長方向上的分布,前緣附近噴氣孔對間隙流動的控制作用相對較小,而葉片中后部弦長位置布置噴氣孔能較好的控制間隙流量、降低間隙流動損失；不同切向噴氣角度對間隙流動的影響也不盡相同,當(dāng)噴氣孔垂直于葉頂表面時,雖然在一定程度上減弱了間隙渦,但由于上通道渦區(qū)損失增大,使得出口截面上總損失反而增大。而采用45°及60°切向噴氣角度時效果相差不大,但考慮到實際加工情況,切向噴氣角度可以優(yōu)先考慮60°；對于噴氣孑L在流向方向上的角度

7、分布,當(dāng)噴氣孔垂直于葉頂壓力邊時由于正好與間隙流動方向相反,因此能更好的抑制間隙流動,獲得更佳的噴氣效果。
　　 因此綜合考慮葉項噴氣各個參數(shù)變化對間隙流動的影響,可以得出本文試驗條件下的最佳噴氣方案為:噴氣孔靠近壓力邊噴氣、噴氣量為1.11％主流流量、噴氣孔垂直于葉頂壓力邊、噴氣孔分在18～72％弦長范圍內(nèi)、采用60°切向噴氣角度。
　　 本文還通過改變?nèi)~柵進口沖角,對葉頂噴氣在非設(shè)計進口條件下對間隙流動的控制效果進行

8、了研究。試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),即使在較大的正/負沖角工況下,葉頂噴氣仍能較好的減小通過間隙的流量、削弱間隙渦尺寸及強度,從而降低間隙流動損失。因此,上述研究結(jié)果表明葉頂噴氣方案具有良好的實用性,是較好的控制間隙流動損失的措施之一。
　　 最后,采用目前常見的幾個間隙流動損失模型預(yù)測了各個不同噴氣工況下的間隙流動損失,其結(jié)果表明這些模型由于沒有考慮葉頂噴氣對間隙流動的影響,預(yù)測值與試驗測量值相差較大。而Hamik&Willinger模