涡轮导叶端壁流向间隙对叶栅通道流场影响研究

发布时间：2020-04-08 00:18

【摘要】：为了适应航空发动机工作历程中冷热尺寸变化,涡轮导叶端壁之间存在着安装缝隙,冷却空气会通过该间隙,进入涡轮叶栅通道内,改变燃气流动特性甚至会影响涡轮叶片的温度分布规律。本文通过热线风速仪测量和三维雷诺平均的仿真方法,分析了泄漏流造成的叶栅流场影响,特别是二次流的变化。对于减少安装间隙泄漏的负面影响,提高涡轮叶栅效率等有着重要的理论意义和实用价值。首先,针对NASA的C3X叶型构建了低速导向器叶栅模型,应用实验和仿真综合方法研究了不同泄漏次流和不同主流工况下的端壁泄漏特性,重点分析了流场特性,二次流特征和叶栅损失等。研究中发现,随着次流比的增加,增生涡增强,马蹄涡受到挤压抬升,强度减弱,叶栅出口的面平均压力损失和二次流动能也增加。当主流比不超过1时,端壁通道涡的最大强度减小,分离涡和附着涡也减弱。随着主流比的减小,叶栅出口面平均压力损失降低,并趋向于定值。随后,利用三维数值仿真方法研究了间隙深度和间隙安装偏斜角度的影响。计算结果表明,不同的偏斜角度对于叶栅通道中的涡系有重要影响,通道涡,分离涡和附着涡都产生了相应的变化。当间隙偏向通道压力侧30°时,叶栅损失相对最小。综合叶栅尾缘面的平均压力损失和二次流动能的分析,发现合适的间隙深度可以一定程度地减少叶栅损失。最后,考虑涡轮上游进口热斑的影响,进一步研究了涡轮进口热斑和端壁间隙泄漏在一整级涡轮叶栅中的相互作用机制。在静子中,泄漏流的存在可以有效降低静子端壁和叶片吸力面的温度。在转子中,上游间隙中泄漏喷射的冷气一方面能够有效冷却转子端壁前部,另一方面能够有效地削弱转子中热斑向压力面的迁移,降低转子压力面的高温。
【图文】：

涡轮导叶端壁流向间隙对叶栅通道流场影响研究2图1.1 先进发动机推重比的发展[4]叶型损失、叶栅二次流损失、尾迹损失和叶尖漏气损失，并将叶栅二次流详细划分为：①二次涡(SecondaryVortices)，又称为通道涡(PassageVortices)，这种涡成对出现，方向相反，而且涡的强度大，对叶栅速度场的影响大；②尾迹涡(TrailingVortices)，包括出口脱落涡和出口片状涡；③壁角涡(CornerVortices)，它对叶栅损失的影响较大，因为主流也是有粘性的，在背弧表面上就形成了一定厚度的附面层。这样，在上下端壁与叶型背弧表面出口部分相交的区域(角区)中

因而大量的学者都研究了这些现象。1.4.1 气膜孔的流场特性图1.2 涡轮进口燃气温度的发展[5]图 1.2 显示了近年来，为了提升发动机性能，涡轮进口温度的飞速上涨。通过先进的冷却手段，诸如叶片内部冷却通道和气膜冷却可以保证进口温度的持续提高。其中，大部分进口燃气温度的提高要归功于先进的冷却技术，尤其是先进的气膜冷却技术，如图 1.3 所示。因此，有大量的研究人员对涡轮的端壁和叶片气膜冷却开展过研究。在叶片气膜冷却的设计中，在高温叶片的表面开孔，叶片内部的冷气通过横线槽缝射入高温主流，在压力和摩擦力作用下，粘附到高温部件外表面，形成一层低温保护膜，，继而阻隔高温主流对热端部件的影响。气膜设计的目的就是在有限的冷气量作用，形成尽可能大的冷却区域
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231

【参考文献】

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1 方昌德;航空发动机的发展前景[J];航空发动机;2004年01期

2 刘高文,刘松龄,朱惠人,Lapworth B L,Forest A E;涡轮叶栅前缘上游端壁气膜冷却的传热实验研究[J];航空动力学报;2001年03期

3 刘高文,刘松龄,许都纯,Lapw orth B L,Forest A E;涡轮叶栅前缘上游端壁气膜冷却的流场实验研究[J];航空动力学报;2001年02期

4 刘大响;对加快发展我国航空动力的思考[J];航空动力学报;2001年01期

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1 周人治;航空发动机核心机技术及发动机发展型谱研究[D];电子科技大学;2007年

本文编号：2618601