变几何涡轮叶栅叶端小翼的气动性能

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1、航空学报ActaAeronaut／caetAstronaut／caSin／caDec252016Vol37No．123615．3624ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：#hkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn变几何涡轮叶栅叶端小翼的气动性能高杰*，郑群，刘鹏飞，魏明哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨150001摘要：针对大子午扩张变几何涡轮在可调静叶转动时旋转轴端严重恶化端区流场的问题，提出在可调静叶的机匣端部应用小翼结构的方法以克服这一问题并减少叶端间隙泄漏流动。应用数值方法和标准女一m

2、两方程湍流模型，并结合低速风洞试验，首先研究了可调静叶栅小翼端部流场及损失分布，并考虑了可调静叶转动的影响，随后给出了叶端凹槽状小翼结构，并评估了其气动性能以及对间隙变化的敏感性。研究结果表明：在可调静叶栅中应用叶端小翼不但可以避免可调静叶转动时旋转轴端恶化端区流场，还降低了叶端间隙泄漏驱动力，从而使得可调静叶在所有转角下都具有较好的端区流动性能，并且叶端小翼结合凹槽结构可以进一步减少间隙泄漏，总体上可调静叶栅总压损失系数降低了8．9％。关键词：变几何涡轮；小翼；凹槽；气动损失；叶栅中图分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：1000—6

3、893(2016)12—3615—10变几何涡轮技术可以有效控制涡轮流量变化，进而调节和优化燃气轮机各部件之间的匹配关系，从而明显提高整个燃气轮机机组的加、减速特性和低工况性能u]，因此开展变几何涡轮技术方面的研究有着十分重要的实际意义和工程应用价值。变几何涡轮在航空、舰船、机车和坦克燃气轮机上已得到广泛应用，对于涡轮变几何对其效率的影响亦有很多研究。Moffitt等心1试验研究了可调静叶转角对单级涡轮的影响。研究结果显示，在不同的膨胀比下，不管是打开还是关闭可调静叶，涡轮效率皆有明显降低，可调静叶打开时涡轮效率下降了1％，而可调静叶关闭时却

4、下降了大概5％。变几何涡轮在许多应用场合下都是以多级形式存在，这增加了变几何涡轮试验的难度，并且成本也比较高。宋力强和王永泓口3根据传统的定几何燃气轮机损失模型，提出了在变几何条件下，如何进行涡轮损失计算的思路，并给出了一套完整的计算变几何涡轮损失的方法。Qiu等H1提出了一种预测变几何涡轮稳态特性的小偏差方法，预测结果表现出了与现有试验数据[23很好的一致性。需要注意的是，应用变几何涡轮，一定不能使得可能获得的效益被变几何时造成的涡轮效率下降所抵消。因此，除了要弄清楚涡轮变几何对其性能的影响之外，还要充分了解影响这一效率的各种因素，以便能把

5、由此引起的性能恶化降到最低程度。Razinsky和Kuziak[53发现，涡轮变几何后，必须在静叶端部留有一定的间隙高度，以保证静叶的自由转动，这样就会引起静叶端部的附加损失，导致涡轮效率下降。收稿日期：2015—12—17；退修日期：2016-04—20；录用El期：2016．04—29；网络出版时间：2016．05—0515：43网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929．V．20160505．1543006html基金项目：国家自然科学基金(51406039)；黑龙江省自然科学基金(Q02016059)*

6、通讯作者Tel：0451-82518116E-mail：gaojied@hrbeu．edu．cn鳓霸格武；高杰，郑群．朗鹅-C．等。变凡伺涡轮叶栅叶端小翼的气动性能．航空学报．2016。37(12)：3615—3624GAOJ，ZHENGQ．LIUPF，etalAerodynamicperformanceofavariablegeometryturbinecascadeusingavane—endwinglet．ActaAeronaut／caetAstronaut／caSin，ca，2016，37(12)：3615—3624航空学报Dec．2

7、52016VoI．37No．12刘顺隆和冯永明等卟’7]对某型船用燃气轮机动力涡轮可调导叶级的流场结构以及大攻角流动特性进行分析，提出可调导叶宜采用较小转折角的后部加载叶型，而可调导叶级动叶栅要采用较大负攻角的气动设计原则。Yue等[83数值研究了柱面端壁和球面端壁下的变几何涡轮流场，结果显示在可调静叶端部，泄漏涡与通道涡之间存在相互干扰，带来了附加的掺混损失，并且局部球面端壁的采用在结构上对端部间隙设计进行优化，从而提高了涡轮效率。陈升等[93利用叶栅试验和损失模型分析相结合的方法对变几何平面叶栅出口流场进行了研究。马超等口0]对某变几何涡

8、轮在不同导叶转角工况下的流场进行了ParticleImageVelocimetry(PIV)试验研究，获得了动叶叶栅流道及其下游区域详细的流场及涡量场数据，并进行了