真实工况因素对自发射流抑制叶尖泄漏影响的数值研究

《真实工况因素对自发射流抑制叶尖泄漏影响的数值研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、真实工况因素对自发射流抑制叶尖泄漏影响的数值研究第1章绪论1.1研究背景及意义叶轮机械是一种重要的，以连续旋转的叶片为本体，能够实现能量在流体工质与轴动力之间相互转换的动力机械。作为一种有代表性的叶轮机械，燃气轮机（又称燃气涡轮发动机）以连续流动的燃气为工质冲击叶轮，使其高速旋转，从而将燃料的化学能转换为机械能向外输出，通常燃气轮机主要由压缩机、燃烧室、涡轮等部分构成，由于其体积小、重量轻、建设时间短、维护简单方便，并可以适用多种燃料以及排放污染少等特点，因此其被广泛应用于工业、军事和民用领域。20世纪50年代，燃气轮机已经开始应用于电力工业，随着我国西气东输工程和引进液化天

2、然气工程的相继实施，燃气轮机及其联合循环发电机组在我国电力工业中迅速崛起，燃气轮机及其联合循环发电机组在世界电力系统中的地位也变的越来越重要，20世纪90年代，各国纷纷启动了推进燃气轮机技术发展和应用的国家项目。此外，目前航空科学处于快速发展阶段，航空领域的关键核心技术航空燃气涡轮发动机技术在国际上受到了广泛的关注，各航空发达国家均投入了巨大的人力物力对航空燃气涡轮发动机技术进行基础性研究。涡轮是燃气轮机技术发展中的核心部件，也是燃气轮机工作中极为重要的一环。燃气涡轮中，为避免其正常工作时转静子间或动叶叶顶与端壁之间发生摩擦，转静子间和动叶叶顶与端壁之间均会留有一定尺度的间隙

3、，即叶尖间隙（又称叶顶尖隙），在叶栅压力面（Pressureside,P.S.）与吸力面（Suctionside,S.S.）间压差驱动作用下，该间隙处形成了叶尖泄漏流（Tipleakagefloamoto等[6]利用五孔探针对低速涡轮平面叶栅内的间隙泄漏开展了大量的研究工作，基于实验结果提出了叶栅通道内的流动结构，如图1-2所示。研究表明在间隙两侧压差的驱动下，流出间隙进入主流的泄漏流在上通道涡及离心力的综合作用下形成间隙泄漏涡，该泄漏涡位于间隙上方靠近机匣处；间隙泄漏涡和通道涡的相互作用会导致明显的能量损失；间隙泄漏流还会引起叶顶附近静压分布的变化，致使叶片载荷降低；此外，

4、随着间隙的增大，间隙泄漏损失将增加，泄漏流速度最高点的轴向位置将向下游移动。....第2章研究对象及其模型的建立本章简要介绍了研究对象的主要特征，并详细描述了数值模型的建立、网格的划分及研究采用的数值方法，同时进行网格无关性检查，并利用文献中的实验数据验证了数值模型的正确性。2.1研究对象燃气涡轮位于燃气涡轮发动机燃烧室之后，尾喷管之前，由不旋转的静叶和旋转的动叶组成，如图2-1所示。为避免摩擦，动叶叶顶与机匣间会留有一定的间隙，该间隙处出现的泄漏流不仅会造成做功工质的泄漏，导致做功损失，更重要的是，还会对叶顶附近甚至整个叶栅通道的流场特性、传热特性及流动损失产生重大影响。为

5、了抑制叶尖泄漏流，本文基于被动控制方法，以轴流式燃气涡轮为研究对象，主要探讨端壁运动、叶片真实转动以及入口工质温度等真实工况典型因素对自发射流抑制叶尖泄漏效果的影响。....2.2叶栅描述及几何参数的定义2.2.1叶栅描述涡轮叶栅表面包括压力面、吸力面和叶顶面，其与机匣的相对位置如图2-2所示，图a）为有肋条叶栅示意图，其中，a为间隙高度，H为叶栅高度，2%H为肋条高度，e为肋条宽度；图b）为无肋条叶栅示意图，本文研究对象为带有叶尖自发射流的无肋条叶栅。本文采用Pro/Engineer软件进行平面叶栅基础模型的几何建模，取一个叶栅及其两侧各1/2流道作为计算域。此外，上游距叶

6、根前缘为1倍叶根处轴向弦长xC处为入口边界，下游距尾缘为2倍叶根处轴向弦长2C处为出口边界。坐标系定义如下，轴向为X方向，周向为Y方向，叶栅展向为Z方向，综上，其计算模型如图2-4所示。本课题涉及自发射流问题，因此需在叶片内部开通射流孔道，但考虑其可加工性及和孔道阻力问题，故将叶栅内设空气容腔，开孔参数已经在表2-1中列出。网格划分采用GAMBIT软件，因该叶栅模型的压力面和叶顶面都有开孔，破坏了其几何拓扑的规整性，因此，网格划分时不宜采用结构型网格，然而非结构四面体网格具有良好的几何适应性，因此，本课题采用非结构四面体网格对整个计算域进行网格划分，此外还应注意的是，近壁区需

7、要用边界层网格进行加密，叶栅前缘附近的网格如图2-5中所示（P.S.为叶栅压力面，S.S.为叶栅吸力面）。......第3章端壁运动对自发射流抑制叶尖泄漏的影响....223.1端壁运动对叶栅流场的影响.....223.2端壁运动对叶尖泄漏量的影响.....263.3端壁运动对叶片载荷的影响.....273.4端壁运动对涡轮等熵效率的影响.....293.5本章小结....30第4章叶片转动对自发射流抑制叶尖泄漏的影响....314.1叶片转动对叶栅流场的影响.....314.2叶片转动对叶片载荷的影响