渦輪葉尖間隙流動與換熱研究.pdf

1、渦輪葉尖泄漏嚴重影響發(fā)動機性能，有效抑制葉尖泄漏并冷卻葉尖是提高渦輪效率和可靠性的關(guān)鍵之一。本文以航空發(fā)動機渦輪葉尖間隙泄漏控制技術(shù)和冷卻技術(shù)為研究背景，深入研究間隙泄漏產(chǎn)生機制、葉尖幾何參數(shù)和流動參數(shù)對間隙流動換熱的影響規(guī)律。
　　首先，數(shù)值研究了無射流條件下平頂葉尖間隙泄漏流流動與換熱，研究內(nèi)容包括無射流時葉尖間隙泄漏流場結(jié)構(gòu)、葉柵出口截面總壓損失系數(shù)及葉尖換熱系數(shù)分布。詳細研究了間隙高度、葉柵進口參數(shù)及機匣相對轉(zhuǎn)動對間隙泄漏

2、流動換熱的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：葉尖區(qū)域由于間隙泄漏流動會形成間隙分離渦和間隙泄漏渦。葉尖間隙分離渦影響范圍較小，而泄漏渦的影響范圍能達到75％葉高以上的葉尖區(qū)域。受間隙泄漏流動影響，葉頂前緣由于邊界層較薄，換熱系數(shù)會較高，葉頂中部的泄漏流量較大，換熱系數(shù)也較高，而葉頂壓力面?zhèn)纫约拔γ鎮(zhèn)扔捎诜蛛x渦和泄漏渦核對壁面的擾動，換熱系數(shù)也會較高。間隙高度對泄漏流流動換熱特性影響較顯著，隨間隙高度增加泄漏流量線性增加，氣動效率線性降低，泄漏總

3、壓損失系數(shù)增大，換熱系數(shù)增加。與間隙高度變化相比，葉柵進口沖角和湍流度對泄漏流流動換熱影響很微弱。機匣相對轉(zhuǎn)動會降低10%泄漏流量和10%泄漏總壓損失系數(shù)，增加0.16%氣動效率，葉尖換熱系數(shù)降低約為5%。
　　其次，數(shù)值研究了無射流條件下突肩和平翼葉尖間隙泄漏流流動與換熱，詳細研究了突肩及平翼葉尖幾何參數(shù)對泄漏流流動換熱的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：泄漏流在突肩葉尖凹槽腔內(nèi)形成劇烈渦流使間隙內(nèi)的靜壓升高，這是突肩葉尖能增加泄漏流阻的

4、本質(zhì)原因。與平頂葉尖相比，突肩葉尖能增加氣動效率降低泄漏流量和總壓損失系數(shù)，但突肩葉尖形成的凹槽式結(jié)構(gòu)會使泄漏流在葉尖腔內(nèi)產(chǎn)生劇烈擾動，從而增加葉尖換熱系數(shù)。突肩高度增加時泄漏流流過間隙的流阻增大，但突肩高度有一個最佳值，而葉尖換熱系數(shù)隨突肩高度增加而增加。突肩寬度變化對泄漏流流動換熱的影響很小。平翼葉尖主要通過抑制流體徑向進入葉尖間隙而減少泄漏流，因此平翼葉尖泄漏流量和總壓損失系數(shù)都比平頂葉尖低。平翼葉尖葉頂換熱系數(shù)較低，但壓力側(cè)平翼

5、本身換熱系數(shù)會較大。平翼寬度增加后對泄漏流動阻擋作用也增強，但平翼本身的換熱系數(shù)會增大。平翼高度變化對泄漏流流動換熱的影響較小。
　　然后，數(shù)值研究了葉頂有冷卻射流條件下的間隙泄漏流流動換熱情況。詳細研究了平頂葉尖射流孔位置、射流噴氣角度及吹風比等參數(shù)對氣動效率、泄漏流量、泄漏損失及氣膜冷效的影響，對比研究了平頂葉尖與突肩和平翼葉尖葉頂有冷卻射流時的間隙泄漏流流動與換熱。研究結(jié)果表明：有射流情況下葉尖區(qū)域整體流動狀態(tài)與無射流時的流

6、動狀態(tài)相似，相比葉尖無射流的情況，葉尖有冷卻射流時氣動效率增加，泄漏流量略有降低，泄漏總壓損失系數(shù)增加。葉尖有射流時射流孔后氣膜冷卻效率較高，而葉尖前緣、壓力面?zhèn)纫约扒熬壐浇奈γ鎮(zhèn)葰饽だ湫л^低，這些區(qū)域都是葉尖冷卻射流無法達到的區(qū)域。改變射流孔位置時，壓力側(cè)射流孔氣動效率最高、泄漏流量和總壓損失系數(shù)最小，并且氣膜冷卻效果最好。改變射流噴氣角度時，90度射流孔氣動效率最高、泄漏流量和總壓損失系數(shù)最小，但隨著射流角度增加，葉尖氣膜冷效降

7、低，即射流的冷效效果變差。射流吹風比越大，氣動效率越高、泄漏流量越低，但吹風比增大時總壓損失系數(shù)也會增加，葉尖氣膜冷效隨著吹風比增加而增大。平頂、突肩和平翼葉尖有射流條件下氣動效率都會提高、泄漏流量都會降低、總壓損失系數(shù)都會增加。突肩葉尖氣動效率最高、泄漏流量最小、總壓損失系數(shù)最小，平頂葉尖氣動效率最低、泄漏流量最大、總壓損失系數(shù)最大。吹風比小于1.1時突肩葉尖氣膜冷卻效率低于平頂葉尖，而吹風比較大時氣膜冷卻效率會高于平頂葉尖。吹風比從

8、0.45到1.78時，平翼葉尖氣膜冷效都低于平頂葉尖。平頂葉尖、突肩葉尖和平翼葉尖氣膜冷效都隨吹風比增加而增大。
　　最后采用PIV對某型帶有冷卻氣流的渦輪葉片葉冠間隙流場進行了分析，并對葉冠間隙泄漏流動特性和換熱特性進行了實驗研究和數(shù)值計算，分析了葉尖間隙高度、泄漏流雷諾數(shù)、前后孔岀流比對葉冠泄漏總壓損失系數(shù)和換熱系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：葉冠腔內(nèi)存在一低速帶，這是因為前孔冷卻氣流與后孔冷卻氣流的注入使得葉冠腔內(nèi)壓力升高，從而阻

9、礙了泄漏流的流動。前孔冷卻流與后孔冷卻流對間隙泄漏流均會有一定的阻擋作用，前孔冷卻流的阻擋作用更為明顯。隨前孔與后孔岀流比增加，前孔流及后孔流對泄漏流的阻擋作用增強。隨著泄漏流雷諾數(shù)增大，葉冠泄漏總壓損失系數(shù)不斷增大，葉冠平均換熱系數(shù)增大。葉冠泄漏總壓損失系數(shù)隨前孔岀流比增大而增大，隨后孔岀流比基本無變化；換熱系數(shù)隨前后孔岀流比增大而增大，其中前孔出流比的影響較為顯著。隨著間隙高度的減小，葉冠泄漏總壓損失系數(shù)增大，且小間隙下總壓損失系數(shù)