船用燃?xì)廨啓C渦輪葉頂間隙泄漏流動及控制技術(shù)研究.pdf

1、燃?xì)廨啓C渦輪內(nèi)部流場是異常復(fù)雜的三維有粘流動，渦輪葉頂間隙損失為其氣動損失的主要來源之一。船用燃?xì)廨啓C總是處于變工況條件下運行，這進(jìn)一步惡化了葉頂間隙端區(qū)流場，同時工況變化等因素還使得葉頂間隙高度、間隙形態(tài)發(fā)生變化且變化幅度比較明顯，所有這些皆嚴(yán)重影響渦輪性能。因此，為了進(jìn)一步改善船用燃?xì)廨啓C渦輪性能，不但要研究在葉頂間隙高度不變的情況下如何減少間隙泄漏損失，并且要研究如何降低渦輪性能對間隙高度變化的敏感性，還要考慮工況變化帶來的影響，

2、以期達(dá)到對全工況范圍內(nèi)葉頂泄漏損失機理的深入理解，進(jìn)而采取相關(guān)措施對全工況范圍內(nèi)間隙泄漏損失進(jìn)行可靠有效控制，從而提高燃?xì)鉁u輪整個運行工況范圍內(nèi)的效率水平。
　　首先，本文研究了葉頂間隙和進(jìn)口攻角大范圍變化下渦輪葉頂間隙泄漏流動結(jié)構(gòu)及其損失產(chǎn)生機理，揭示了只有在適當(dāng)?shù)拈g隙尺度下，葉頂間隙泄漏渦和通道渦的相互作用才能被有效利用。并且，葉頂間隙泄漏流動情況可根據(jù)其泄漏位置進(jìn)一步細(xì)分為“直接泄漏”和“間接泄漏”兩種類型，而大多數(shù)的間隙泄

3、漏流動是由葉頂后部的橫向壓差，也就是間接泄漏造成的。在此基礎(chǔ)上，研究了葉頂間隙泄漏渦的破碎現(xiàn)象，并探討了間隙高度對泄漏渦結(jié)構(gòu)及其破碎特性的影響，以及葉頂泄漏渦破碎與損失的關(guān)聯(lián)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了渦輪葉頂間隙泄漏渦具有不穩(wěn)定特性，葉頂間隙端區(qū)大量的摻混損失發(fā)生在泄漏渦破碎之后，并且是葉頂泄漏流產(chǎn)生損失的主要部分。
　　其次，開展了渦輪葉頂間隙流動被動控制技術(shù)研究，分別從控制葉頂泄漏流量和控制動葉通道內(nèi)葉頂泄漏渦和通道渦的相互作用兩個方面系統(tǒng)

4、研究了葉頂間隙流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)對渦輪動葉端區(qū)性能的影響，具體包括葉頂凹槽結(jié)構(gòu)改進(jìn)、葉頂間隙形態(tài)、動葉機匣端壁造型以及葉片帶冠等。研究發(fā)現(xiàn)，凹槽內(nèi)布置正對泄漏流方向肋條的葉頂結(jié)構(gòu)具有良好的氣動性能和攻角適應(yīng)性，相對平頂動葉，渦輪設(shè)計點效率可提高0.41％。軸向非均勻間隙概念可有效利用葉片通道內(nèi)泄漏渦和通道渦的相互作用，進(jìn)而改善間隙端區(qū)損失，其中前臺階型間隙使得渦輪效率提高了0.3％。并提出了基于臺階設(shè)計的機匣端壁造型技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)雖然機匣上引

5、入臺階結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了較大的分離損失，但機匣端壁造型可有效減少葉頂泄漏損失且控制效果特別明顯。此外，還探討了葉片帶冠后端區(qū)流動損失的產(chǎn)生機制，揭示了如果葉冠間隙泄漏流在重新進(jìn)入主通道時能夠被有效折轉(zhuǎn)并且加速，渦輪級性能可以被進(jìn)一步改善，并且發(fā)現(xiàn)葉片帶冠降低了渦輪性能對間隙高度變化的敏感性。
　　繼而，開展了渦輪葉頂間隙流動（主被動）復(fù)合控制技術(shù)研究，首先分析了渦輪葉頂間隙端區(qū)上游尾跡、泄漏渦/摻混區(qū)和下游通道渦之間的干涉機理，探討了間隙

6、端區(qū)非定常效應(yīng)應(yīng)用于葉頂間隙非定?？刂频目尚行裕缓蠓謩e從控制泄漏渦破碎、適應(yīng)葉頂間隙和工況變化影響三個方面對葉頂間隙流動復(fù)合控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，葉頂噴氣對間隙泄漏渦的穩(wěn)定性及損失產(chǎn)生了明顯影響，在葉頂間隙前側(cè)噴氣可有效延遲泄漏渦破碎，并使得渦輪性能隨噴氣量增加而快速增加；葉頂噴氣對間隙泄漏的控制作用是葉頂表面處理和噴氣共同作用的結(jié)果，在相對小的間隙下，葉頂噴氣產(chǎn)生更大的阻塞作用，而在相對大的間隙下，葉頂凹槽作用顯現(xiàn)，整體上0

7、.5％噴氣量在減少葉片上半?yún)^(qū)域損失方面是最佳的；并提出了有效改善渦輪全工況氣動性能的間隙非均勻噴氣構(gòu)想，可使渦輪全工況效率增加0.15％。
　　最后，從如何降低渦輪性能對間隙高度變化的敏感性這一角度出發(fā)，研究了分別采用被動、主動以及復(fù)合間隙控制方法的凹槽頂、平頂噴氣、凹槽頂噴氣這三種不同的葉頂結(jié)構(gòu)下渦輪性能對間隙高度變化的敏感性，并考慮了變工況影響，發(fā)現(xiàn)了渦輪葉頂噴氣明顯降低了渦輪性能對間隙變化的敏感性，而凹槽頂結(jié)構(gòu)具有最佳的攻角