篦齿封严结构对带冠涡轮叶顶流动影响及作用机理

发布时间：2020-04-03 18:40

【摘要】：涡轮作为燃气轮机三大部件之一,其性能的变化与燃气轮机整体的性能有紧密的联系。在涡轮级的流动中,叶顶间隙泄漏引起的一系列问题是包括燃气轮机和航空发动机等旋转机械在内的引起损失的重要来源之一。间隙泄漏问题得到越来越多的关注,其中燃气轮机中由叶顶间隙引起的流动损失占到三分之一以上。减小叶顶泄漏流动的一种方式是在叶顶加装封严结构,叶冠的封严结构因具有良好的气动性能以及结构特性广泛的应用在低压涡轮结构中。叶冠几何结构的复杂性使得其流动和热力学过程十分复杂,泄漏流从叶冠容腔流出后,与主流发生掺混会进一步影响涡轮出口的气动参数。本文的研究从在跨音速带冠涡轮级的叶冠中增加篦齿封严结构展开。高效的叶冠封严结构能够有效的控制叶冠内的泄漏流,减少泄漏流动所带来的损失,提高涡轮级的气动性能。本文尝试在涡轮叶冠中增加3种篦齿封严结构来改善流场,分别为双侧交错篦齿方案、机匣篦齿方案和叶顶篦齿方案。通过对原型带冠涡轮级以及3种增加不同篦齿封严结构的方案进行RANS和URANS计算,分析不同的篦齿封严结构对于带冠涡轮叶顶泄漏流动的影响以及相互之间的作用机理。首先根据原有带冠涡轮级动叶叶冠的几何特征建立3种篦齿封严结构的模型,采用RANS的方法对4种方案进行了定常的数值模拟计算,研究不同篦齿封严结构下涡轮级的性能,结果表明三种封严篦齿结构均能降低叶冠泄漏流率,其中机匣篦齿和双侧交错篦齿能够有效的增加涡轮级的效率,双侧交错篦齿提升效率最高达到0.72%,泄漏流量从3.02%降低到1.07%。进一步研究篦齿封严结构对叶冠内气动性能的影响,结果表明增加篦齿封严结构后会增加叶冠内的流动损失,其中叶顶篦齿方案叶冠内流动损失增加最多,其总压损失系数达到了45.2%。但篦齿封严结构的增加会降低泄漏流在叶冠出口处于主流流体的法向动量差和切向动量差,减少了泄漏流体与主流的掺混损失。而后分析了不同间隙条件和不同进出口总压条件下3种篦齿封严结构对泄漏流动的控制效果。随着间隙高度的增加,带有篦齿封严结构的三种方案的泄漏流量的增长率均低于原型带冠涡轮泄漏流量随间隙的增长率,并且双侧交错篦齿封严结构下的泄漏流量随间隙的增长率最低。在不同膨胀比条件下,三种篦齿封严结构均能有效的降低叶冠容腔内的泄漏流量,其中双侧交错篦齿对于泄漏流的控制效果最佳,并且对于涡轮级效率的提升最明显。最后采用了Time transformation的数值计算方法分析四种方案下涡轮级的效率和叶冠内的泄漏流率均表现的非定常特性,结果表明采用了双侧交错篦齿封严方案后,涡轮级的效率波动幅值从4.6%降至4%,最高效率点达到93.4%。三种篦齿封严方案均能有效的控制叶冠内的泄漏流率,其中双侧交错篦齿方案最佳,在一个周期任何时间段内均有良好的效果,而机匣篦齿和叶冠篦齿仅在局部时间段内改善泄漏流率。
【图文】：

示意图,叶冠,分段模,齿间

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文角。研究了带冠和不带冠涡轮叶顶间隙泄漏流流动的影响，同时考虑了不同叶尖间隙高度对流场涡轮叶顶间隙流动是由叶顶横向压差驱动，并上通道涡的发展规律与间隙泄漏涡不一样；针由上下压差驱动引起的，流体在叶冠容腔入口内，，并且在叶冠容腔出口处与主流有着强烈的漏损失的主要部分。对带冠涡轮进行了不同维耦合数值模拟研究，要意义。如图 1-2 所示，对于叶冠齿间的流动进、动力、能量等关键特征并且能够预测泄漏流模型。结果表明发展的叶冠模型以及多维耦合和性能进行合理的预测。

端壁,涡轮,弧形,造型

图 1-3 带冠涡轮弧形端壁造型优化三级涡轮叶冠容腔内的流动特性进行了数值研究，量的要求，对不同的叶冠结构进行了优化分析。结减少了 10%的叶冠质量，通过改进的叶冠结构减少主流的掺混，气动性能与全叶冠相比并没有下降，基本相同。 Denton[16]针对 1.5 级带冠涡轮通道内气动损失的研所引起的效率损失中，叶冠进出口空腔流损失为 0及其对下游的气流攻角所引起的损失为 0.4%，叶冠效率损失总和为 2.6%，可见，叶冠容腔结构和泄漏影响，对于叶冠泄漏流的控制, 可以采用先进的密封研究较多的是叶片无冠时的叶尖泄漏流动问题，有流动的研究比较较少。其中鄢景等[17]对不带冠的动顶间隙流、通道涡进行了细致的分析，突出了在没叶栅顶部的三维流动特性。结果表明：在带冠的动了动叶叶栅顶部泄漏流的流动布局，强化了叶顶密
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK473

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