轴向非均匀凹槽叶顶对涡轮气动性能的影响

发布时间：2020-03-23 08:12

【摘要】：提高航空发动机三大核心部件之一的涡轮的气动效率有着重要的经济意义,其单级气动损失的近三分之一来自于动叶叶顶的间隙泄漏流动。因此,对涡轮动叶叶顶间隙泄漏流动施加流动控制方法以减小气动损失是有实际经济效益的。流动控制方法主要包括主动流动控制方法以及被动流动控制方法两种。其中,被动流动控制方法有不需要布置额外复杂结构,简单且易于实施的优势。本课题通过实验与数值方法,将已经得到广泛研究的叶顶凹槽技术和研究较少的轴向非均匀叶顶两种被动流动控制方法相结合。利用五孔探针在出口处获取流场内的流动信息,利用一种改进的端壁静压测量方法获取端壁处的静压信息,并在端壁运用油流法进行流场显示,利用数值方法着重观察叶顶处的流动情况,对两种被动流动控制方法对流场气动性能的改善效果进行了详细的研究。通过实验方法,研究单独布置凹槽叶顶而不考虑轴向非均匀间隙的方案。其结果表明,单独布置凹槽叶顶能够在一定程度上降低叶栅中的总压损失系数:小间隙下总压损失系数和大间隙下的总压损失系数分别减小了1.92%和2.33%。其机理主要在于,布置凹槽后泄漏流在凹槽内出现了沿着展向的运动并在凹槽中形成涡旋,阻碍了泄漏流动,使得通道涡和泄漏涡的形成较晚且进一步的发展受到抑制。通过探究在设计工况以及非设计工况下使用轴向非均匀叶顶方法结合凹槽叶顶方法所对应的总压损失系数的变化,发现在使用凹槽叶顶已经取得一定流动控制效果的前提下,布置非均匀叶顶间隙能够进一步控制叶顶处的泄漏流动并减小总压损失。在不同的间隙大小以及不同的攻角条件下,渐扩型间隙都取得了更好的气动性能:流道内质量平均总压损失更小且通流流量更大。这是因为,在凹槽叶顶使流体形成展向运动阻碍泄漏流动的基础上,渐扩型叶顶能够进一步推迟通道涡与泄漏涡的形成过程。在端壁流场上可以很明显地观察到小间隙下渐扩型叶顶能够促进泄漏流在凹槽内沿着展向的流动,并且抑制泄漏流通过叶顶流向相邻流道;而大间隙下这种作用仍旧存在。渐扩型间隙下通道涡与泄漏涡的形成被推迟,在出口处的尺度较小,且泄漏涡的高损失区脱离壁面。通过探究非设计工况下的方案的作用效果,得出了渐扩型间隙减小损失的效果在非设计工况仍旧适用且更明显的结论。无论是正攻角还是负攻角,无论是大间隙还是小间隙,非设计工况下的渐扩型间隙的作用效果都得到了加强。然而正攻角和负攻角下的具体情况是不一样的。负攻角下,效果加强的原因在于负攻角下凹槽内径向流动更明显,导致阻碍泄漏流动的作用效果更加明显。正攻角下,均匀叶顶的泄漏流动更加强烈,非均匀叶顶推迟通道涡和泄漏涡的生成并抑制其发展的作用效果更佳。通过数值方法,对实验中难以直接观测到的叶顶处的流场进行着重分析。可以发现流体在前缘处不仅从压力面流入间隙,也从吸力面流入间隙,渐扩间隙下的这种作用效果更加明显。渐扩间隙能够有效减小总压损失,增大通流流量,其泄漏流流量也是最大的,体现了减小泄漏流流量并不意味着气动性能的改善。渐扩间隙的布置能够增强凹槽内径向流动,从而阻碍泄漏流动。
【图文】：

向非均匀凹槽叶顶的研究由实验与数值方法两部分组成。其中不同工况、不同造型的轴向非均匀叶顶对叶顶泄漏流动与叶栅由于实验方法很难反映间隙内部的具体流场细节，采用数值方的流场进行分析。方法完成于哈尔滨工业大学发动机气体动力研究中心低速叶栅风洞布置情况如图 2-1 所示。来流由一台 75kW 的异步电机带动离心口处有可调入口阀(8)，使得来流总压和速度连续可调。气流经经过扩张段(2)进入稳压室(3)。稳压室中布置了两层过滤网(9)并气流基本均化，同时设有观察窗(11)以观察并清洗过滤网(9)处验段前设有皮托管(5)以测量来流状况。通过半圆盘(6)可以连续面介绍具体实验实施过程。

图 2-2 实验段轴测视图表 2-1 叶栅基本参数数 符号 值 弦长高距转角装角片数马赫数基于轴向弦长)bHtΔβγnMaReb71.61608086.0445.2260.284.6x105了待测叶栅的叶片、凹槽形状和一些几何参数的气涡轮顶部截面，经过几何相似得到，，具有折计算机编程，通过板卡控制步进电机，使得探将流场中的时均压力传送给压力传感器，经由程图如图 2-4 所示。其中，出口截面参数测量布且在端壁附面层，尾迹区以及二次流对应区域进
【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】：V231.3

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本文编号：2596448