高压涡轮轮缘封严冷气对主流气动性能影响的数值研究

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高压涡轮主流通道的高温气体渗漏进转-静子之间的轮盘腔会降低发动机效率，且使得涡轮盘腔过热导致不可控的轮盘变形和疲劳，轮缘封严是当前针对这一问题的主要方法，其作用是将压气机出来的压缩冷气引入到轮盘腔体中来防止高温气体进入腔体同时冷却轮盘。
　　本文针对某燃气轮机涡轮的第一级动静叶，展开了轮缘封严冷气的特征参数（冷气喷射角、冷气流量比）等、以及封严缝隙的特征参数（轴向位置和轴向宽度）对主流气动性能影响的研究。并在封严缝隙的基础上，设计不同的封严结构，讨论封严冷气对主流气动性能的影响。通过UG造型得到三种典型的轮缘封严结构：轴向封严、覆叠封严和带容腔的封严，在ICEM中实现封严结构网格的划分，在NUMECA中实现主流道网格的划分，并利用ANSYS CFX14.5软件进行数值计算，为保证计算结果的准确性，进行了网格无关性分析和数值方法可靠性验证。
　　封严结构的加入降低了涡轮级功率、动叶效率，增大了静叶总压损失系数。封严冷气射入主流后，冲击主流边界层内的流体，使得局部区域流体的流动发生改变，主流在封严出口处发生流动分离，影响静叶和动叶流道中通道涡的发展，造成动叶端区流动结构的变化并引起掺混损失。
　　针对本文的研究对象，数值计算的结果表明：封严冷气对主流的影响主要体现在动叶根部和吸力面。随着封严冷气流量比的增大，级功率、动叶效率减小，静叶总压损失系数增大，动叶根部负荷减小，做功能力变差，动叶流道内二次流影响范围更大，主流的气动性能更差，但冷气对主流的冷却效果更好。而冷气喷射角对主流的影响不明显。此外，封严缝隙距离动叶前缘越远，宽度越窄，相应的主流的气动性能越好；封严缝隙距离动叶前缘越近，宽度越窄，相应对主流的动叶下端壁和吸力面的冷却效果越好。
　　同一封严冷气流量比，覆叠封严和加容腔的封严对应的涡轮的气动性能更好，动叶根部负荷更大。主流气体向封严腔内入侵在静叶的压力侧较为明显，随着封严冷气流量比的增大，主流向封严腔入侵的程度减弱。从覆叠封严和加容腔的封严中射入主流的冷气更贴近壁面，在大冷气流量比时，体现出对主流冲击更弱。当冷气流量比增大到一定程度时，在动叶入口产生负攻角，而覆叠封严和加容腔的封严对应的负攻角更小。
　　综合涡轮级总参数和流场结构的细致分析，发现在所研究的封严冷气流量比范围内，覆叠封严和加容腔的封严对于涡轮主流气动性能的影响小于其他两种封严结构，而对动叶片的冷却效果更好。封严结构加容腔后，涡轮的气动性能变化不大。

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作者
张伸展;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科动力机械及工程
授予学位硕士
导师姓名王仲奇;
年度 2016
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类构造;
关键词
燃气轮机; 高压涡轮; 轮缘封严冷气; 主流气动性能;

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