渦輪間隙流動(dòng)主動(dòng)控制的試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬.pdf

1、燃?xì)廨啓C(jī)作為能量轉(zhuǎn)換和動(dòng)力傳遞的裝置,被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的各個(gè)領(lǐng)域,屬能源與動(dòng)力行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備,也是航空動(dòng)力工程中的核心組成部件。
　　 為了進(jìn)一步改善燃?xì)廨啓C(jī)性能,一個(gè)很重要的方面就是必須對(duì)其內(nèi)部復(fù)雜三維流動(dòng)有足夠的認(rèn)識(shí),以降低流動(dòng)損失、提高燃?xì)廨啓C(jī)整體效率水平。而動(dòng)葉葉頂間隙流動(dòng)是導(dǎo)致流道內(nèi)流動(dòng)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(cè)量技術(shù)的限制,目前對(duì)動(dòng)葉葉頂間隙流動(dòng)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(yàn)臺(tái)模擬了葉頂間隙流動(dòng),并對(duì)平面葉柵出口截面上總壓、氣流角以及出口速度分布進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量。同時(shí),通過在葉片表面設(shè)置的靜壓孔,測(cè)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(jì)算的方法,揭示了間隙內(nèi)部流場(chǎng)分布、間隙進(jìn)出口速度、間隙流量等試驗(yàn)難以測(cè)量的物理量和流動(dòng)細(xì)節(jié)。
　　 本文首先深入研究了間隙高度、葉片與外殼相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及葉柵進(jìn)口沖角對(duì)間隙流動(dòng)的影響情況,對(duì)間隙流動(dòng)

3、的形成機(jī)理進(jìn)行了深入地分析。研究發(fā)現(xiàn),間隙高度增加時(shí),通過間隙的流量增大,間隙渦尺寸及強(qiáng)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(dòng)引起的損失也基本呈線性增大；而葉片與外殼之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)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(dòng)損失；葉柵進(jìn)口沖角改變時(shí),間隙流動(dòng)損失也隨之變化?？梢钥闯?在負(fù)沖角i=-8.5°時(shí),間隙流動(dòng)引起的損失減小,而在正沖角時(shí),間隙流動(dòng)損失迅速增大。
　　 在此基

4、礎(chǔ)上,本文對(duì)采用葉頂噴氣的主動(dòng)控制方法來削弱間隙流動(dòng)對(duì)渦輪性能的影響進(jìn)行了研究。由外部空氣壓縮機(jī)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(gè)夾角,其方向是使得噴出氣體能阻礙流體進(jìn)入間隙,從而降低間隙流量,削弱間隙流動(dòng)。葉柵出口截面上總壓測(cè)量結(jié)果表明,葉頂噴氣確實(shí)能夠阻礙間隙流動(dòng)的形成,減小間隙流量,降低間隙流動(dòng)損失,間隙流量最大下降幅度達(dá)78.25％,間隙流動(dòng)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(duì)噴氣效果的影響,對(duì)葉頂噴氣方案的控制機(jī)理有了較為深入的理解,得出了各個(gè)參數(shù)對(duì)間隙流動(dòng)控制效果的影響規(guī)律,并得到了試驗(yàn)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(zhǎng)方向上的分布、葉頂噴氣切向/流向角度等。
　　 試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)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(shí),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(duì)于噴氣孔在葉片弦長(zhǎng)方向上的分布,前緣附近噴氣孔對(duì)間隙流動(dòng)的控制作用相對(duì)較小,而葉片中后部弦長(zhǎng)位置布置噴氣孔能較好的控制間隙流量、降低間隙流動(dòng)損失；不同切向噴氣角度對(duì)間隙流動(dòng)的影響也不盡相同,當(dāng)噴氣孔垂直于葉頂表面時(shí),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(shí)效果相差不大,但考慮到實(shí)際加工情況,切向噴氣角度可以優(yōu)先考慮60°；對(duì)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(shí)由于正好與間隙流動(dòng)方向相反,因此能更好的抑制間隙流動(dòng),獲得更佳的噴氣效果。
　　 因此綜合考慮葉項(xiàng)噴氣各個(gè)參數(shù)變化對(duì)間隙流動(dòng)的影響,可以得出本文試驗(yàn)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(zhǎng)范圍內(nèi)、采用60°切向噴氣角度。
　　 本文還通過改變?nèi)~柵進(jìn)口沖角,對(duì)葉頂噴氣在非設(shè)計(jì)進(jìn)口條件下對(duì)間隙流動(dòng)的控制效果進(jìn)行

8、了研究。試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),即使在較大的正/負(fù)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(qiáng)度,從而降低間隙流動(dòng)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(shí)用性,是較好的控制間隙流動(dòng)損失的措施之一。
　　 最后,采用目前常見的幾個(gè)間隙流動(dòng)損失模型預(yù)測(cè)了各個(gè)不同噴氣工況下的間隙流動(dòng)損失,其結(jié)果表明這些模型由于沒有考慮葉頂噴氣對(duì)間隙流動(dòng)的影響,預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)測(cè)量值相差較大。而Hamik&Willinger模