叶顶凹槽形态对动叶气动性能的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252013V01．34No．2218-226ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxbbuaaedu．cnhkxb@buaaedu．on叶顶凹槽形态对动叶气动性能的影响高杰，郑群*哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨150001摘要：应用数值方法联合标准女一m两方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程组，研究了GE-E3发动机第l级动叶片顶部凹槽、凹槽内布置流向肋条以

2、及凹槽内布置横向肋条3种不同的涡轮叶顶结构对动叶顶部泄漏流动以及动叶气动性能的影响。首先详细分析了不同叶顶结构间隙内泄漏流场以及损失分布，接着研究了不同间隙下不同叶顶结构对动叶总体性能的影响，最后对凹槽内布置横向肋条叶顶结构的变工况特性也进行了分析。数值研究结果表明：叶顶凹槽内布置肋条增加了间隙泄漏流动阻力，减小了间隙泄漏流量，其中，凹槽内布置正对着泄漏流方向的横向肋条显著降低了叶顶间隙泄漏流量，从而获得最好的气动性能，尤其在大间隙时更为明显；凹槽内布置横向肋条也具有较好的变工况性能；适当的叶顶结

3、构可以在不影响转子叶片做功能力的前提下使得泄漏流利用凹槽和肋条的侧壁向叶片额外输出有用功。关键词：涡轮；凹槽；间隙高度；叶顶泄漏流；肋条；攻角中图分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)02—0218—09涡轮叶顶泄漏流动不仅降低了叶顶附近叶片载荷，堵塞了通道主流，而且对涡轮气动性能也有着重要影响，涡轮中大约有三分之一的流动损失是由叶顶间隙泄漏流动引起的[1]。因此，研究叶顶泄漏流动机理，从而改进叶顶设计，对减小叶顶泄漏流动损失，改善涡轮性能具有十分重要的作用。改

4、变叶顶结构可以控制叶顶间隙泄漏损失，其关键技术是叶顶的局部结构设计。文献[2]～文献[6]利用数值和实验方法，研究了单压力侧肋条、单吸力侧肋条、单中弧线肋条、压力侧和吸力侧双肋条、压力侧和中弧线双肋条、以及吸力侧和中弧线双肋条等不同周向布置的单肋条以及双肋条叶顶结构对叶顶间隙流场的影响，结果表明不同的叶顶结构对间隙泄漏流动具有很大的影响，双肋条叶顶(凹槽叶顶)获得了最小的间隙泄漏损失。此外，凹槽叶顶结构也可以避免在叶顶与机匣之间发生摩擦时损伤动叶，因此，凹槽叶顶成为动叶叶顶最常采用的结构之一。近些

5、年来，国内外出现了一些针对凹槽叶顶结构的改进研究。Tallman[73在其学位论文中对倒圆角的凹槽叶顶结构进行了详细的数值研究。研究发现，压力面倒圆角使得泄漏流动更容易进入间隙内，因而增大了泄漏流量，因此要避免压力面倒圆角；而吸力面倒圆角则减小了泄漏流进入间隙内的趋势，使得泄漏流紧贴叶片吸力面表面，产生较小尺度的泄漏涡。此外，空腔内吸力面倒圆角减小涡轮叶顶间隙泄漏量，但却会增大泄漏涡尺度。不过，文中并没对这些叶顶处理的最终效果(比如涡轮效率)进行综合评价。Prakash等[81提出了两个改进的凹槽

6、叶顶结构，并对其进行了数值研究。结果表明，压力侧肋条向叶顶内收稿日期：2012—03—19；退修日期：2012．07．14；录用日期：2012—08-16；网络出版时间：2012—08—2114：03网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929．V20120821．1403．007．htmf基金项目：中央高校基本科研业务费专项基金(HEUOFZl104)*通讯作者．Tel．：0451-82518116E-mail：zhengqun@hrbeu．edu．cn戮角格式：

7、GaoJ，ZhengQ．EffectofsquealertipgeometryOnrotorbladeaerodynamicperformance．ActaAeronauticaetAstronauticaSin#Ca，2013，34(2)：218—226．高杰，郑群．叶顶凹槽形态对动叶气动性能的影响．航空学报，2013，34(2)：218-226．高杰等：叶顶凹槽形态对动叶气动性能的影响侧平移使得压力侧形成后台阶绕流，导致泄漏量增加，从而减小了涡轮效率，在此基础上，压力侧肋条向外倾斜，则使得绕流

8、流体发生分离，从而减小了泄漏量，提高了涡轮效率。然而，Prakash等并没有对改进的凹槽叶顶泄漏流场进行仔细分析。IVIischo等[91借助于三维计算流体力学工具，通过深入研究叶顶凹槽内旋涡结构以及旋涡干涉机理，对高负荷涡轮动叶片凹槽叶顶结构进行了改进设i汁。结果发现，适当地对叶顶凹槽形状进行改进，使得动叶效率相对于平顶动叶提高了0．38％。凹槽叶顶结构实际上类似于迷宫密封，而迷宫密封的密封性能受密封齿数和泄漏流的流动方向影响很大u0

9、。然而上述研究则主要从改进压力侧和吸力侧肋条