蜂窝叶顶对高负荷涡轮叶栅顶部泄漏流动影响机制研究

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1、中图分类号：TK471学校代码：10213UDC：621.438密级：公开工学硕士学位论文蜂窝叶顶对高负荷涡轮叶栅顶部泄漏流动影响机制研究硕士研究生：付云峰导师：宋彦萍教授申请学位：工学硕士学科：动力工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK471U.D.C:621.438DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringNUMERICALINVESTIGATIONOFTHELEAKAGEFLOWINHIGHLY-LOADEDTURBINECA

2、SCADEWITHHONEYCOMBTIPCandidate：FuYunfengSupervisor：Prof.SongYanpingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerMachinery&EngineeringAffiliation：EnergyScience&EngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘

3、要面对现代航空动力技术高推重比和低耗油率的发展需求，增加涡轮气动负荷，减少涡轮级数是燃气涡轮的一大发展趋势。通过提高单个叶片的气动负荷达到减少涡轮级叶片数目的的高负荷涡轮叶片设计被广泛研究和应用。高负荷涡轮的出现随之带来了全新的问题：叶片负荷增加导致叶栅通道内的横向压力梯度增大，流体在叶片两侧压差作用下不可避免地形成间隙泄漏流动，并产生各种复杂涡系，造成叶尖区域流动复杂，增大涡轮叶尖附近的气动损失。因此，深入开展涡轮径向间隙泄漏流动及其抑制措施方面的研究对现代先进航空涡轮发动机整体性能及其经济性的提高具有重要意义。可磨耗性蜂窝密封具有优良的封严特性，是典型

4、的叶轮机械叶顶间隙密封结构。本文提出一种将蜂窝密封直接布置在涡轮叶顶的抑制泄漏流动新方案，并以某高负荷涡轮叶栅为研究对象，建立蜂窝叶顶结构物理模型。采用数值方法对比研究了有/无蜂窝叶顶结构对涡轮叶栅叶尖间隙流场结构和间隙流动损失产生机理的影响机制，分析了不同相对间隙高度和来流冲角条件对间隙泄漏流动的影响，对蜂窝叶顶在降低间隙泄漏量及泄漏相关损失、提高涡轮效率等方面的效果进行了探讨，以期为进一步研究间隙流动的控制方法提供参考依据。通过对有/无蜂窝叶顶涡轮叶栅间隙流场特性及其影响因素的对比研究，结果表明，采用蜂窝叶顶设计，间隙流体流入蜂窝腔，形成旋涡运动，对间

5、隙流体动能具有耗散作用，反冲气流在间隙内形成类似于“气动栅栏”的径向射流，增加流动阻力，进而有效减小泄漏流量。与平顶叶栅相比，1%叶高相同间隙高度下蜂窝叶顶叶栅相对泄漏量降低了约10%，流出间隙的泄漏流周向速度减小了20%左右。蜂窝叶顶叶栅中泄漏涡的形成和发展被削弱，导致泄漏涡与主流、尾迹等的掺混损失减小，对叶栅损失的降低有积极的作用，其出口能量损失系数较平顶叶栅减小了约4%。间隙高度的增加直接带来了间隙流量的增大，使得间隙泄漏流动增强，泄漏损失增加，考虑蜂窝可磨耗性，蜂窝叶顶叶栅可以进一步减小间隙高度，对泄漏流动的抑制有显著的效果。此外，来流冲角的变化会

6、影响涡轮叶栅间隙泄漏流场及旋涡结构，使得叶顶泄漏涡和通道涡的形成位置和发展尺寸发生明显改变。不同间隙高度和来流冲角条件下，蜂窝叶顶对泄漏流动都有明显的抑制效果。;;;;关键词：涡轮叶栅；间隙泄漏流动；泄漏涡；泄漏损失；蜂窝叶顶-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentdemandeofmordenaro-engineturbinecharacterizedbyhighthrust-weightratioandlowspecificfuelconsumption,itisadevelopmenttrendtoin

7、creaseaerodynamicloadandreduceturbineseriesinthedesignofhigh-performanceturbine.Astheturbineisdevelopedtowardshighly-loadeddirection,tipleakageflowandthecausedlosshavemoreandmoresignificantinfluenceontheturbineperformance.Thus,thefurtherresearchontheleakageflowanditsabatenebtstrat

8、egieshassignificantmeaninginimpro