船用燃气轮机间隙流动的主动控制研究.pdf

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1、第27卷第2期《燃气轮机技术》Vo1．27No．22014年6月GASTURBINETECHNoLoGYJun．，2014船用燃气轮机间隙流动的主动控制研究张鹏鹰，牛茂升，臧述升(1．海军驻大连地区军事代表室，辽宁大连116021；2．中国舰船研究设计中心上海分部，上海201108；3．上海交通大学机械与动力工程学院叶轮机械研究所，上海200240)摘要：本文主要对采用叶顶喷气方法来控制船用燃气轮机涡轮叶栅中的间隙流动进行了试验研究。研究重点在于叶顶喷气对间隙流动的影响分析，因此采用三孔探针对叶栅出口截面的流场分布进行了测量，同时还测量了叶片表面静压分布情况。研究结

2、果表明，叶顶喷气可以减弱间隙流动，降低间隙流动损失。研究还发现，喷气位置对喷气效果有较大的影响。采用相同的试验条件时，当喷气孔位于叶片后部位置时可以获得更好的喷气效果。关键词：船用燃气轮机；间隙流动控制；叶顶喷气；二次流中图分类号：TK471文献标识码：A文章编号：1009—2889(2014)02—0001—07燃气轮机是2l世纪大功率舰船的核心动力设究。研究发现，在小间隙高度时，排污孔气体能较好备，其发展水平可以体现出一个国家船舶工业的先地阻塞间隙流动；但间隙高度增大时，排污孔气体对进程度，因此需要对其进行大力发展。而流道内部间隙流动的作用较为微弱。Chfist

3、ophel_l发现在小流动损失则是制约燃气轮机效率的主要因素之一，间隙高度时，即使在较小的吹风比条件下，排污孔气因此众多研究机构将其作为他们的课题研究重心。体能够有效的对叶片前缘位置进行冷却。Hamik163间隙流动损失是动叶内部流动损失的重要组成提出一种比较新颖的叶顶喷气方案。他用一条直径部分之一。Schaub⋯认为在小型高压涡轮中，动叶5mm的内部通道将叶片前缘与叶顶连通。这样在45％流动损失，涡轮级中30％流动损失都是由间隙叶片前缘与叶顶压差作用下，会有一部分流体进入流动引起的。Metzger_2研究证明，间隙流动使得叶通道，进而从叶片顶部喷出。Hamik试验

4、发现，叶顶顶传热系数上升约200％。喷气可以降低间隙涡区流动损失，同时近外壳区流由于间隙流动对涡轮性能有较大的影响，因此动过偏／偏转不足现象得到极大改善。Li【”J认为叶必须采取措施来削弱间隙流动。常见的减弱问隙流顶喷气对间隙流动的作用主要表现在以下三个方动的方法是改变叶顶几何形状，包括翼梢小翼J，面：(1)叶顶喷气对间隙流动起到阻塞作用，降低问肋条叶尖_5I6]，叶顶斜切，叶片弯曲E8-9]，端壁处隙流动损失；(2)喷气孔下游间隙入口速度降低，间理¨”等方法。通过研究发现，以上这些方法均可隙流动与主流的掺混作用减弱；(3)间隙内喷气孔以在一定程度上减弱间隙流动。附

5、近熵增减小。对于叶顶喷气孔位置的分布，除此之外，叶顶喷气方法也可以有效地减弱间Rao_1。。研究发现靠近叶片前缘位置喷气能够较好地隙流动。Pougare【12]首次对叶顶喷气进行了试验研控制间隙涡尺寸，而靠近尾缘位置喷气能够大幅度究。研究结果显示，叶顶喷气可以有效地减弱间隙提高间隙涡区总压分布。Newton18]通过不同叶顶流动及间隙涡的出现。Hohlfeld_】，Couch_】针对喷气位置对叶顶传热系数的影响，发现在叶顶分离叶片顶部排污孔对间隙流动的影响进行了详尽的研涡位置喷气可以有效地改善间隙流动情况，同时能收稿日期：2013—10—30改稿日期：2014—01

6、—06作者简介：张鹏鹰(1968一)，男，硕士，主要研究方向为动力工程。牛茂升(通讯作者)，男，博士，主要研究方向为船舶推进系统，E—mail：niumaosheng@hotmail．corn。2燃气轮机技术第27卷获得最佳的叶顶换热条件。牛茂升¨对影响叶见表1。其中叶片进口气流角为一52．4。，出口气流顶喷气效果的因素进行了研究，包括切向喷气角度角为66．6。，叶栅通道内气流转折角较大，为119。，以及喷气孔在叶片厚度方向上的分布。牛茂升]属高负荷叶片。还对不同叶顶喷气在不同进口冲角工况下的控制效叶片通过底部螺栓孔固定在底盘支架上，间隙果进行了试验研究。试验结果显

7、示，在五个不同的高度是通过在叶片与底板之间添加垫片来实现的。进口冲角工况下，叶顶喷气都能有效地控制间隙垫片型线与叶片叶型完全相同，并由定位销来保证流动。其位置与叶片位置完全吻合。垫片厚度为1mm，因综上所述，前人已经就叶顶喷气对间隙流动以此间隙高度变化差值为1mm。及叶顶区域换热情况进行了详尽的研究，但是到目表1叶栅几何参数前为止，关于叶顶喷气孔位置对问隙流动控制效果叶栅几何参数数值影响的研究较少。叶高H／mm因此本文采用三孔探针对不同喷气位置情况弦长C／mm下，叶栅出口截面上参数分布进行了测量，同时也测轴向弦长Cax／mm量了各个工况下叶片表面的静压分布。节距