突肩叶尖间隙流动换热的数值及实验研究

发布时间：2022-02-15 07:25

　　航空发动机涡轮动叶与机匣之间通常会留有一定高度的间隙来防止两者之间的摩擦,称为叶尖间隙。主流气体流过涡轮的过程中在叶片压力侧和吸力侧压差作用下流过叶尖间隙,不仅会造成泄漏损失,还会在叶尖表面形成过高的热负荷,引起严重的腐蚀和氧化,因此对叶尖形状进行改进并设计叶尖冷却是涡轮叶片研究的一个技术关键。突肩叶尖不仅可以允许更小的间隙高度,而且可以形成迷宫封严,从而减小间隙泄漏流量,进而使得间隙泄漏损失和换热量减小,因此在工程上得到了广泛的应用。本文以突肩叶尖为研究对象,对其间隙泄漏流动换热特性开展了数值和实验研究。主要的研究内容及结论如下:1、数值研究了无气膜冷却突肩叶尖间隙泄漏流动换热的形成机理,展示了间隙泄漏流场、间隙泄漏涡的发展以及叶尖表面压力系数和换热系数分布,并对其间隙泄漏流场进行了详细划分,分析了间隙高度、突肩高度和相对机匣运动对叶尖间隙泄漏流动换热特性的影响规律。结果表明:随着间隙高度的增加,间隙泄漏流量增大,进而使得间隙泄漏损失增大,叶尖表面换热系数增大;随着突肩高度的增加,突肩对泄漏流的阻碍作用增大,间隙泄漏流量减小,间隙泄漏损失减小,叶尖表面换热系数先增大后减小;相对机匣运... 

【文章来源】：南京航空航天大学江苏省211工程院校

【文章页数】：197 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

间隙泄漏流动示意图

[1]（2004）图1.2 平顶叶尖间隙泄漏流动模型[2]（2006）间隙泄漏流不仅不参与主流做功，而且在间隙内具有粘性损失，流过间隙后又与主流掺混，这些因素都使其对涡轮气动性能有着重大影响，涡轮中大约有三分之一的流动损失是由间隙泄漏流引起的，如图 1.3 所示。Schaub 等人[3]（1993）认为在小型高压涡轮中，动叶 45%的流动损失都是由间隙泄漏流动引起的。美国 GE 公司对 CF6-50 发动机的分析表明，其压气机与涡轮叶片叶尖间隙影响约占叶型与间隙密封总损失的 67%[4]。另外，研究表明在有效间隙高度内，间隙高度每增加 1%

突肩叶尖间隙流动换热的数值及实验研究2图1.3 涡轮级损失构成[2]（2006）除气动损失外，泄漏流还会使叶尖表面的热负荷过大而遭受破环。泄漏流加速流入间隙时叶尖压力侧的边界层很薄，从而使更多的热量传入叶片；泄漏流本身的高速混合会在很难冷却的叶尖表面引起较高的热负荷；泄漏流流出间隙引起的泄漏涡会冲击叶片吸力面，使其表面的换热系数很高。这些因素都使得叶尖及其附近区域长期处于高温环境中，产生氧化和腐蚀，进而影响整个叶片的性能与寿命，特别是对高压涡轮的第一级叶片。Bunker[6]（2006）研究表明叶尖的气动损失和热负荷随着间隙高度增加而增大，如图 1.4 所示。Sjolander 和Cao[7]（1995）认为间隙泄漏流动会使叶尖压力边出现烧蚀现象，从而限制涡轮进口温度的提高

【参考文献】：
期刊论文
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[3]不同叶顶结构对燃气透平动叶顶部气膜冷却性能的影响[J]. 章大海,孙卓辉,王秋旺.  燃气轮机技术. 2010(03)
[4]凹槽状动叶顶部非定常气膜冷却性能的研究[J]. 李军,王金山,蒋勇,丰镇平.  西安交通大学学报. 2010(05)
[5]涡轮叶尖泄漏流被动控制数值模拟[J]. 李伟,乔渭阳,许开富,罗华铃.  推进技术. 2008(05)
[6]一种改进的轴流涡轮叶尖对泄漏流影响的数值研究[J]. 李伟,乔渭阳,许开富,罗华玲.  航空学报. 2008(05)
[7]涡轮叶尖镶嵌肋条对泄漏流场的影响[J]. 李伟,乔渭阳,许开富,罗华铃.  航空动力学报. 2008(08)
[8]叶顶凹槽对燃气透平动叶气动性能及叶顶传热的影响[J]. 杨佃亮,丰镇平.  西安交通大学学报. 2008(07)
[9]凹槽对动叶顶部流动和换热的影响[J]. 杨佃亮,丰镇平.  工程热物理学报. 2007(06)
[10]涡桨6发动机叶尖间隙的控制技术[J]. 杨贵铭,王明富,王廉士.  航空制造工程. 1994(09)



本文编号：3626190