顶部间隙对超声速膨胀器流动特性的影响.pdf

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1、航空学报Feb252016VoI．37No．2555—567ActaAeronauticaetAstronauticaSinicalSSN1000-6893CN11·1929／VhttD：∥hkxb．buaa．educnhkxb@buaa．educn顶部间隙对超声速膨胀器流动特性的影响黄振宇，钟兢军*，杨凌，韩吉昂大连海事大学轮机工程学院，大连116026摘要：隔板与机匣之间留有间隙，间隙的存在势必会对超声速膨胀器的内部流场和总体性能产生影响，为了获得超声速膨胀器内部间隙流动的流动细节，采用三维雷诺平均Navier—Stokes方

2、程和标准肛e湍流模型，就顶部间隙对超声速膨胀器流动特性的影响进行了数值研究。结果表明：膨胀流道出口斜激波导致吸力面压力高于压力面，隔板尾缘附近部分泄漏流体经间隙流回压力面侧；间隙的存在导致吸力面进口及中、后部近下端壁压力上升，而压力面前缘附近压力下降，对比同一隔板位置，间隙高度每增加1％喉部高度，超声速膨胀器隔板载荷系数最高下降2．6％；端壁损失和斜激波损失降低，但产生了泄漏损失，三维流道内总的流动损失增加，膨胀器效率降低，本文研究范围内效率最多下降8．8％；马蹄涡、泄漏涡及二者之间的相互作用是顶部区域的主要涡系结构；前缘附近气流

3、经间隙流到吸力面侧和尾缘附近泄漏流体越过间隙重新流回压力面侧是间隙内气流的主要运动形式。关键词：超声速膨胀器；隔板；间隙；膨胀波；泄漏涡中图分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：1000一6893(2016)02一0555—13叶轮机械中，动叶顶部和机匣之问通常会留有间隙，叶顶附近气体在压力面与吸力面压差作用下流经间隙形成间隙泄漏流，泄漏流在间隙内形成复杂涡系，并在流出间隙后与主流掺混，卷起形成泄漏涡，导致流动损失明显增加。涡轮作为燃气轮机核心部件之一，受高温、高压、高负荷以及高转速循环作用，工作环境恶劣，由间隙流动导致的损

4、失则更为明显，研究表明由叶尖间隙引起的流动损失已经占到涡轮端区损失的一半以上n]。对涡轮间隙流动进行研究将有助于了解泄漏流流动机理，进而采取主动或被动措施来控制间隙流动，达到减小流动损失、提高涡轮效率的目的。基于此，国内外学者针对涡轮间隙流动进行了广泛的研究。Booth等¨1认为1％相对间隙高度会造成1％～2％的主流流量通过间隙形成间隙流动，导致涡轮级效率下降1％～3％。Bindon[3]第1次对间隙内部流场进行了实验研究，发现了叶顶分离涡及再附着现象，认为受叶顶分离涡影响叶片压力面静压会减小，甚至低于叶顶吸力面。Yamamoto

5、[4。50发现有间隙时叶顶压力分布与无间隙的差别很大，泄漏流在吸力面附近形成泄漏涡，泄漏涡与上通道涡旋向相反，沿流向发展过程中二者相互掺混，进一步加大了流道内的流动损失。xiao等[6。]发现最大的总压降和总压损均位于泄漏涡区域，但由通道涡导致的总损失要比泄漏涡大，叶片与机匣的相对运动导致刮削涡沿二次流方向发展，减少了泄漏流向主流的输运。Yaras和Sj01ander等[8。91就端壁相收稿日期：2014—11．27；退修日期：2015．07-09；录用日期：2015—10·12；网络出版时间：2015-10-2117：08网络出

6、版地址：wwwcn¨net／kcms／delajI／111929．V．201510211708．002hlmI基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20132125120006)；中央高校基本科研业务费专项资金(3132014319)；辽宁省高校创新团队支持计划(LT2015004)*通讯作者Tel：0411—84728496E—mail：zhongjj@dImu．edu．cn弓l用撂武

7、黄振字．钟兢军，杨凌．等硬部间隙对超声速膨胀器流动特性的影响!Jj．航空学报．2016．37(2)：555—567．HUANGZY．ZHON

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14、oas{nIca，2016．37(2)：555-567．航空学报Feb．252016Vol37No．2对运动对涡轮平面叶栅泄漏流动的影响进行了研究。祁明旭和丰镇平口”111对不同间隙下Aachen一级半轴流透平的问隙流表现形式、端壁二次流结构及性能进行了数值研究，发现随间隙增加，透平等熵效率近似呈线性趋势减小，间隙涡的产生

15、位置提前，强度增大，损失也随之增加。MoOre等[1幻的研究表明，黏性力对间隙流动存在一定影响，但叶片压力面和吸力面的静压差才是问隙流动的主要驱动力。uzol等口3。们采用粒子成像测速(PIV)技术测量了叶片顶部区域的流场，认为间隙流动是引起叶片顶