渦輪葉尖間隙流動(dòng)與換熱研究.pdf

1、渦輪葉尖泄漏嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)制、葉尖幾何參數(shù)和流動(dòng)參數(shù)對(duì)間隙流動(dòng)換熱的影響規(guī)律。
　　首先，數(shù)值研究了無(wú)射流條件下平頂葉尖間隙泄漏流流動(dòng)與換熱，研究?jī)?nèi)容包括無(wú)射流時(shí)葉尖間隙泄漏流場(chǎng)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(xì)研究了間隙高度、葉柵進(jìn)口參數(shù)及機(jī)匣相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)間隙泄漏

2、流動(dòng)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(dòng)會(huì)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(dá)到75％葉高以上的葉尖區(qū)域。受間隙泄漏流動(dòng)影響，葉頂前緣由于邊界層較薄，換熱系數(shù)會(huì)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(duì)壁面的擾動(dòng)，換熱系數(shù)也會(huì)較高。間隙高度對(duì)泄漏流流動(dòng)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(dòng)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(jìn)口沖角和湍流度對(duì)泄漏流流動(dòng)換熱影響很微弱。機(jī)匣相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)降低10%泄漏流量和10%泄漏總壓損失系數(shù)，增加0.16%氣動(dòng)效率，葉尖換熱系數(shù)降低約為5%。
　　其次，數(shù)值研究了無(wú)射流條件下突肩和平翼葉尖間隙泄漏流流動(dòng)與換熱，詳細(xì)研究了突肩及平翼葉尖幾何參數(shù)對(duì)泄漏流流動(dòng)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(dòng)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(huì)使泄漏流在葉尖腔內(nèi)產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，從而增加葉尖換熱系數(shù)。突肩高度增加時(shí)泄漏流流過(guò)間隙的流阻增大，但突肩高度有一個(gè)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(duì)泄漏流流動(dòng)換熱的影響很小。平翼葉尖主要通過(guò)抑制流體徑向進(jìn)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?yè)Q熱系數(shù)會(huì)較大。平翼寬度增加后對(duì)泄漏流動(dòng)阻擋作用也增強(qiáng)，但平翼本身的換熱系數(shù)會(huì)增大。平翼高度變化對(duì)泄漏流流動(dòng)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(dòng)換熱情況。詳細(xì)研究了平頂葉尖射流孔位置、射流噴氣角度及吹風(fēng)比等參數(shù)對(duì)氣動(dòng)效率、泄漏流量、泄漏損失及氣膜冷效的影響，對(duì)比研究了平頂葉尖與突肩和平翼葉尖葉頂有冷卻射流時(shí)的間隙泄漏流流動(dòng)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(dòng)狀態(tài)與無(wú)射流時(shí)的流

6、動(dòng)狀態(tài)相似，相比葉尖無(wú)射流的情況，葉尖有冷卻射流時(shí)氣動(dòng)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(shí)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(wú)法達(dá)到的區(qū)域。改變射流孔位置時(shí)，壓力側(cè)射流孔氣動(dòng)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(shí)，90度射流孔氣動(dòng)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(fēng)比越大，氣動(dòng)效率越高、泄漏流量越低，但吹風(fēng)比增大時(shí)總壓損失系數(shù)也會(huì)增加，葉尖氣膜冷效隨著吹風(fēng)比增加而增大。平頂、突肩和平翼葉尖有射流條件下氣動(dòng)效率都會(huì)提高、泄漏流量都會(huì)降低、總壓損失系數(shù)都會(huì)增加。突肩葉尖氣動(dòng)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(dòng)效率最低、泄漏流量最大、總壓損失系數(shù)最大。吹風(fēng)比小于1.1時(shí)突肩葉尖氣膜冷卻效率低于平頂葉尖，而吹風(fēng)比較大時(shí)氣膜冷卻效率會(huì)高于平頂葉尖。吹風(fēng)比從

8、0.45到1.78時(shí)，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(fēng)比增加而增大。
　　最后采用PIV對(duì)某型帶有冷卻氣流的渦輪葉片葉冠間隙流場(chǎng)進(jìn)行了分析，并對(duì)葉冠間隙泄漏流動(dòng)特性和換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算，分析了葉尖間隙高度、泄漏流雷諾數(shù)、前后孔岀流比對(duì)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?yàn)榍翱桌鋮s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(dòng)。前孔冷卻流與后孔冷卻流對(duì)間隙泄漏流均會(huì)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(duì)泄漏流的阻擋作用增強(qiáng)。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(wú)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)