高亚声速下压气机叶栅中叶尖小翼控制间隙流动的研究

发布时间：2020-06-11 11:54

【摘要】：燃气轮机的性能特性与传统动力装置相比有着明显的优点,其在发电、舰船动力、机械驱动等领域中得到广泛的应用。随着全球工业化进程的加快,能源动力市场需求快速增长,各国投入了大量精力进行燃气轮机的自主研发,我国也逐步认识到燃气轮机在国家工业领域的重要地位并在近年内加大了对燃气轮机产业的重视力度。随着对燃气轮机工作性能要求的提高,压气机作为燃气轮机的核心部件之一,其技术的发展面临着新的挑战。压气机动叶叶顶间隙流动直接影响压气机的气动性能,因此合理控制压气机叶顶间隙流动可以提高燃气轮机的整机性能。近年来,叶尖小翼技术作为一种有效的被动控制手段受到广泛关注,在低速来流条件下已经进行了叶尖小翼的作用机理的系统研究,但在高亚声速来流条件下的探索还有待补充。本文以实验测量为主要研究手段辅以数值计算,对高亚声速下叶尖小翼控制压气机叶栅叶顶间隙流动的影响机理开展研究。通过改变间隙高度、来流马赫数以及来流冲角,探究以上不同因素对叶尖小翼控制叶顶间隙泄漏流动程度的影响,建立加装叶尖小翼高亚声速压气机叶栅的气动性能数据库。第一部分对有/无叶顶间隙的无叶尖小翼原型压气机叶栅进行实验研究,并采用数值模拟方法对实验结果进行补充,分析叶顶间隙对压气机叶栅流场结构的影响规律,揭示压气机叶栅叶顶间隙流动损失机理,并初步探究高亚声速下不同安装位置叶尖小翼对叶顶间隙流动的控制效果。结果表明:无间隙时,叶栅流动损失主要来自于吸力面-角区的分离,当存在叶顶间隙时,叶顶间隙泄漏流动及泄漏涡出现,其存在降低了吸力面-角区分离损失,抑制了上通道涡与上集中脱落涡的强度,使流场结构更为复杂,导致流场的总压损失增加。随着叶顶间隙高度的增大,泄漏涡强度增强,出口流场不均匀程度增大,流动总压损失增加。设计冲角下随着吸力面叶尖小翼宽度的增加,叶顶两侧的压力梯度增大,泄漏流动增强,泄漏涡影响范围变大,出口流场不均匀程度与流动损失随之增加。随着压力面叶尖小翼宽度的增加,叶顶两侧的压力梯度减小,泄漏流动减弱,泄漏涡强度减小,出口流场不均匀程度降低,流动损失减小。高亚声速的来流条件下压力面叶尖小翼对叶顶泄漏流动的控制效果优于吸力面叶尖小翼。第二部分采用数值模拟方法研究了高亚声速来流条件下不同宽度吸力面叶尖小翼对叶顶间隙流动的影响规律,探究了加装吸力面叶尖小翼压气机叶栅的变间隙、变马赫数及变冲角特性。结果表明:与叶顶间隙高度、气流冲角相比,马赫数的变化对吸力面叶尖小翼的影响更为明显。随着来流马赫数的增大,吸力面叶尖小翼对流场的改善作用逐渐减弱,不利不利影响作用增强,叶顶间隙流动增强,泄漏涡强度增加,影响面积增大,出口流场不均匀程度与流动损失增加。随着叶尖小翼宽度的增加,流场变化程度更为剧烈。当间隙高度逐渐增大时,吸力面叶尖小翼对流场的影响程度加大,流动损失逐渐增加。由于叶尖小翼对流场带来正负两种影响效果,两者相互影响使得不同间隙高度时的不同宽度的叶尖小翼损失变化规律并不一致。随着冲角的增大,吸力面叶尖小翼对流场的不利影响作用逐渐增强,泄漏涡的影响范围逐渐增大,影响程度与叶尖小翼宽度成正比。第三部分利用实验和数值方法研究了高亚声速来流条件下不同宽度压力面叶尖小翼对叶顶间隙流动的影响规律,探究了变工况下压力面叶尖小翼对流场叶顶间隙流动的作用机理。结果表明:叶尖小翼延长了泄漏流动在叶顶间隙的流动距离,耗散了泄漏流体的能量,推迟了泄漏流动与主流的相遇,减少了掺混损失。压力面叶尖小翼区域的低能流体不但减弱了叶片两侧的压力梯度,还会对进入叶片间隙区域的流体起到阻碍作用。随着叶顶间隙高度的增加,泄漏流动加强,压力面叶尖小翼对流场的改善作用逐渐明显。随着马赫数的增加,流场中泄漏流动逐渐增强,压力面叶尖小翼的改善效果逐渐增强,降低了流场的流动损失,增加了出口气流的均匀性,改善程度与叶尖小翼宽度成正比。在由负冲角到正冲角的变化过程中,压力面叶尖小翼的改善作用增强,减小了泄漏涡的影响范围,削弱了泄漏涡的强度,出口气流角的过偏转程度减弱。随着小翼宽度的增加,其对流场的影响程度增大。压力面叶尖小翼使压气机叶栅在变间隙、变马赫数及变冲角下的具有更好气动性能,拓宽了压气机的稳定工作范围。
【图文】：

美国海军,燃气轮机,轮机,燃气轮

Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｕｎｉｔｅｄ邋Ｓｔａｔｅｓ邋Ｎａｖｙ邋ＬＣＡＣ邋ａｉｒ邋ｃｒｅｗ邋ｌａｎｄｉｎｇ邋ｂｏａｔ逡逑轮机的历史主要经历了三个发展时期：逡逑：初级探索期（２０世纪４０年代一５０年代）逡逑１９４７年将Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ邋Ｖｉｋｅｒｓ邋Ｃ０研制的Ｇ１型燃气轮艇上作为加速机组使用，首次验证了燃气轮机作为舰，并成功地将利用１台燃气轮机替代了“奥里斯”号４轮机区别其他动力设备的优点。１９５８年，不列斯托尔装成舰船用燃气轮机（图１．３）后应用于快艇推进动力０ｋＷ。截止上世纪５０年代末，以英国为代表的欧洲各气轮机的各项技术。逡逑

燃气轮机

海军正式进入了装备现代化时期。逡逑ｍｍ逡逑图１．４邋ＬＭ２５００系列燃气轮机逦图１．５邋ＭＴ３０燃气轮机逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋ＬＭ２５００邋ｓｅｒｉｅｓ邋ｇａｓ邋ｔｕｒｂｉｎｅ逦Ｆｉｇ．邋１．５邋ＭＴ３０邋ｇａｓ邋ｔｕｒｂｉｎｅ逡逑第三阶段：快速发展期（２０世纪７０年代末一至今）逡逑进入该时期，随着燃气轮机技术的发展与革新，船用燃气轮机的性能不断提逡逑高，技术日臻完善。比较这个过程每一次新型燃气轮机的下水运行时的工作参数，逡逑可以看出研制的船舰用燃气轮机的功率继续加大，耗油率进一步的降低，可靠性逡逑不断提高，倒车技术得到很大的发展，装舰技术已经成熟。至今舰船燃气轮机己逡逑发展了邋３代。现今，各大海军强国的舰船燃气轮机技术均已发展得非常完善，，设逡逑计并制造出一系列适用于各种不同类型舰船的燃气轮机，其综合效率己达４０％以逡逑上，单机最大功率己超过了邋４万ｋＷ。逡逑随着工业技术的发展、环境保护要求的提高以及能源的可续发展要求
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.1

【参考文献】