自发射流与叶顶凹槽耦合抑制涡轮叶尖泄漏的数值研究

发布时间：2020-06-13 03:00

【摘要】：燃气轮机作为一种动力机械装备,在我国能源发电和舰船应用等领域发挥着重要作用。而转子叶顶间隙泄漏流的存在,对叶片轴向载荷、油耗等均产生重要影响。因此,对间隙泄漏流进行抑制一直是涡轮领域研究的热点。然而,当前采用单一抑制方法和常规设计抑制叶尖泄漏的潜力已接近极限。本文将结合理论分析与数值模拟来研究自发射流和叶顶凹槽耦合对涡轮叶尖泄漏流的抑制影响。首先以低速平面叶栅为研究对象,暂不考虑泄漏流动对通道主流的影响,考察了单排自发射流孔数、多排自发射流的排列方式叶尖泄漏的抑制效果。在此基础上,研究了压力面射流耦合单凹槽模型的泄漏抑制技术,筛选出与之匹配的复合被动耦合方案,最终获得了比单一控制方法更优的泄漏抑制效果。为具有良好的流体耦合特性的自发射流耦合叶顶凹槽叶型的设计奠定了基础,并且对自发射流和叶顶凹槽两种被动抑制方式之间的流体耦合机理有了更深的理解。此外,提出在自发射流组合凹槽模型内加置沟槽方案,得到了4种不同沟槽类型及尺寸的抑制间隙泄漏效果。在三维真实模型下,对自发射流和叶顶凹槽耦合开展研究,模拟计算5种典型自发射流耦合叶顶凹槽的抑制间隙泄漏效果,获取了各叶型的间隙泄漏量、马赫数和流线分布以及叶片周向载荷分布。结果表明,自发射流耦合单凹槽抑制间隙泄漏效果较单一控制方法效果更好。在此基础上,增加凹槽,能进一步提升抑制涡轮间隙泄漏效果。此外,合理的自发射组合双凹槽能放大强化流体耦合作用,典型的有中间射流耦合双凹槽和压力面射流耦合双凹槽叶型,不合理的组合无助于甚至恶化流体耦合效应,如吸力面射流耦合双凹槽。最后,考虑到一些真实工况因素可能对二者的流体耦合存在影响,因此建立了三维的流场模型,模拟了叶栅进口温度、进口冲角以及端壁运动等真实工况因素对自发射流耦合叶顶凹槽抑制叶尖间隙泄漏流的影响,并对其叶尖马赫数和流线分布、叶片周向载荷分布进行了分析。综上可发现,利用自发射流和叶顶凹槽耦合模型对涡轮叶顶间隙泄漏流进行抑制这一构想具有一定的潜力和研究价值,并确定了将来的课题研究继续开展的方向。
【图文】：

叶尖泄漏,燃气轮机

第 1 章绪论第 1 章绪论1.1 研究背景及意义燃气轮机作为一种重要的动力叶轮机械(图 1-1a )，其发展代表着我国重型设水平，并且在国防、能源和交通等领域发挥着越来越重要的作用。目前独立研制气轮机的核心技术掌握在美、英等少数国家手中，而我国研制燃气轮机起步早但展较慢，因此在这方面同国际先进水平相比仍存在较大差距[1]。因此，发展自主燃轮机关键技术，打破国外技术垄断，对加强我国能源及国防安全具有重大战略意

机匣,叶尖,方案,肋条

第 1 章绪论条，单边吸力面肋条、以及双边肋条（即凹槽）。有学者研究发现吸力面肋力面肋条[24]抑制泄漏效果不理想。文献[25-26]通过分析凹槽的肋条宽度和漏的影响，得出叶顶加置凹槽可有效抑制间隙泄漏流。不仅如此，有学者凹槽的前缘开口或者尾缘开口对叶场流动和叶顶间隙损失均存在影响[27]。泄漏量，不少学者还分析了凹槽状叶顶的传热特性以及凹槽形态对轴流风动叶气动性能的影响[28-32]。此外，有学者提出新的创新点，，叶学民[33]等研双凹槽对轴流风机气动性能和振动特性的影响，研究表明在叶顶加装双凹泄漏流量显著下降，且下降幅度随开槽深度的增加而趋缓。Joo 等[34]发现组小翼可以明显控制间隙泄漏流。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK473

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