本文關(guān)鍵詞：葉尖小翼控制渦輪葉柵間隙流動的研究

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【摘要】：燃?xì)廨啓C作為重要的動力裝置之一,廣泛應(yīng)用于發(fā)電、航空飛行器、艦船動力、機械驅(qū)動等領(lǐng)域。我國未來能源動力市場需求巨大,國家“十三五”規(guī)劃中將航空發(fā)動機及燃?xì)廨啓C作為重點發(fā)展領(lǐng)域,工信部也在2016年初啟動了航空發(fā)動機和燃?xì)廨啓C重大專項。先進(jìn)燃?xì)廨啓C技術(shù)是各國科技領(lǐng)域的重點研發(fā)對象,而渦輪作為燃?xì)廨啓C的核心部件,其技術(shù)的完善程度與整機性能直接相關(guān)。渦輪動葉葉頂間隙流動是引起渦輪流動損失的重要因素之一,葉頂間隙泄漏流與主流的摻混對流場結(jié)構(gòu)和載荷分布產(chǎn)生重要影響,如果控制不好,將使流動損失增加、葉片做功能力下降。加裝葉尖小翼能有效控制渦輪葉頂間隙泄漏流動,改善渦輪內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)、減少泄漏損失、提高效率。國外對渦輪葉尖小翼技術(shù)有了一定的研究,國內(nèi)目前還缺乏全面系統(tǒng)的研究。本文采用實驗與數(shù)值研究結(jié)合的方法,開展應(yīng)用葉尖小翼控制渦輪葉柵葉頂間隙泄漏流動的研究,獲得加裝葉尖小翼的渦輪葉柵在不同幾何和氣動參數(shù)下的性能特性,揭示葉尖小翼控制渦輪葉柵葉頂間隙流動的作用機理。首先,采用實驗方法對無葉頂間隙和有葉頂間隙的無葉尖小翼的渦輪葉柵以及加裝有不同寬度和安裝位置的葉尖小翼的9套葉柵進(jìn)行研究,分析和討論了渦輪動葉葉柵間隙損失產(chǎn)生機理及葉頂間隙對渦輪葉柵流動的影響,研究了不同寬度和安裝位置的葉尖小翼對控制渦輪間隙泄漏流動的機理,并利用數(shù)值研究方法對實驗研究的結(jié)果進(jìn)行補充分析。結(jié)果表明,葉頂間隙的存在會產(chǎn)生間隙泄漏流動,所形成的泄漏渦與上通道渦相互作用,使上通道渦位置遠(yuǎn)離上端壁向葉柵中部移動。隨著間隙高度的增加,泄漏流動強度增大,泄漏渦強度增強且影響范圍擴大,泄漏渦運動軌跡向相鄰葉片的壓力面?zhèn)纫苿?出口流場不均勻程度增大,葉柵總壓損失增加。在設(shè)計沖角下,不同方案的葉尖小翼均使泄漏渦運動軌跡向遠(yuǎn)離吸力面的方向發(fā)展,吸力面小翼和組合小翼改變泄漏渦運動軌跡的程度更明顯。最佳的葉尖小翼寬度為1.2倍當(dāng)?shù)厝~片厚度,安裝此種葉尖小翼后葉柵泄漏損失最小,葉柵的總壓損失也最低,吸力面小翼削弱了葉頂泄漏流動的強度,使泄漏渦向相鄰葉片壓力面?zhèn)纫苿?與上通道渦相互作用,卷吸上通道渦內(nèi)的低能流體,減弱上通道渦的強度和影響范圍,從而使葉柵的總壓損失降低。最佳的壓力面小翼寬度為0.3倍當(dāng)?shù)厝~片厚度,組合小翼的效果優(yōu)于壓力面小翼但不如吸力面小翼。隨后,實驗和數(shù)值研究了在設(shè)計沖角下,不同間隙高度時無葉尖小翼渦輪葉柵和不同寬度和安裝位置的葉尖小翼渦輪葉柵的流動情況。結(jié)果表明,間隙較大或較小時,寬度為0.4倍當(dāng)?shù)厝~片厚度的壓力面小翼控制葉頂間隙泄漏的作用較好,中等間隙高度時,寬度為0.3倍的壓力面小翼效果較好。吸力面小翼在不同間隙高度時,均能使葉柵泄漏流動減弱,向后推移泄漏渦產(chǎn)生位置,同時減弱上通道渦損失,使葉柵上半葉高出口氣流角偏轉(zhuǎn)程度減弱,吸力面?zhèn)热~片表面的靜壓分布更趨近與葉片中部。不同間隙下最佳寬度的吸力面小翼寬度均為1.2倍當(dāng)?shù)厝~片厚度,且隨著間隙高度的增加,其控制間隙泄漏流動的效果越好。吸力面小翼還一定程度上降低了渦輪葉柵對間隙變化的敏感性,吸力面小翼對泄漏流動的控制效果基本不受間隙高度變化的影響。組合小翼在間隙高度不同時對渦輪葉柵間隙泄漏流動的控制效果均不如吸力面小翼好,但比壓力面小翼作用效果好。組合小翼在大間隙工況時改善葉柵出口氣流角的偏轉(zhuǎn)程度的效果最佳,使出口流場趨于均勻。最后,研究來流沖角改變時,無葉尖小翼渦輪葉柵和不同寬度和安裝位置的葉尖小翼渦輪葉柵間隙流動的影響情況。結(jié)果表明,無葉尖小翼時,隨著來流沖角由負(fù)到正,泄漏渦逐漸減小,泄漏渦的運動軌跡逐漸向葉片吸力面?zhèn)瓤拷?泄漏損失降低,但吸力面分離加劇,導(dǎo)致上通道渦逐漸增強,葉柵總壓損失增大,葉柵出口氣流角偏轉(zhuǎn)程度增加。沖角增大使吸力面前部分離加劇,近葉頂區(qū)域吸力面?zhèn)惹安快o壓降低,中后部由于泄漏渦的減小,吸力面?zhèn)热~片表面靜壓升高。壓力面小翼在不同沖角下均對葉頂泄漏流動具有一定的控制效果,在設(shè)計沖角和較小的正沖角工況下0.3倍當(dāng)?shù)厝~片厚度的壓力面小翼作用效果較好；較大正負(fù)沖角時,小翼寬度較大的壓力面小翼效果較好。壓力面小翼有助于提高渦輪葉柵穩(wěn)定工作的沖角范圍,使渦輪在變沖角條件下具有更好的氣動性能。吸力面小翼在來流沖角較小時對葉柵出口氣流角偏轉(zhuǎn)的改善作用顯著,隨著沖角由負(fù)到正,1.2倍當(dāng)?shù)厝~片厚度的吸力面小翼使葉柵總壓損失降低的程度變大,渦輪葉柵在變沖角工況下總損失變化更加平緩,進(jìn)一步拓寬了葉柵的沖角范圍。組合小翼在不同來流沖角工況下效果均不如吸力面小翼好,從組合小翼對各流場參數(shù)的作用效果來看,組合小翼中的吸力面小翼起了主要作用,但整體寬度過大,與單純吸力面小翼相比作用效果不理想。
【關(guān)鍵詞】：渦輪 平面葉柵 葉尖小翼 間隙泄漏 實驗與數(shù)值研究
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK471
【目錄】：

• 創(chuàng)新點摘要5-6
• 摘要6-9
• ABSTRACT9-15
• 第1章 緒論15-39
• 1.1 研究背景及意義15-16
• 1.2 渦輪間隙流動研究現(xiàn)狀16-22
• 1.2.1 渦輪葉頂間隙泄漏流動研究18
• 1.2.2 渦輪葉頂泄漏損失模型研究18-22
• 1.3 渦輪間隙流動研究現(xiàn)狀22-31
• 1.3.1 彎、扭、掠葉片23
• 1.3.2 葉頂/機匣處理23-25
• 1.3.3 葉頂/機匣噴氣25-27
• 1.3.4 葉片帶冠和葉尖肋條27-30
• 1.3.5 等離子體控制30-31
• 1.4 葉尖小翼技術(shù)在葉輪機械領(lǐng)域的研究發(fā)展現(xiàn)狀31-37
• 1.4.1 飛機翼稍小翼31-32
• 1.4.2 風(fēng)機及螺旋槳小翼32-33
• 1.4.3 壓氣機葉尖小翼33-34
• 1.4.4 渦輪葉尖小翼34-37
• 1.5 本文工作的目的和主要研究內(nèi)容37-39
• 1.5.1 研究目標(biāo)37-38
• 1.5.2 研究內(nèi)容38-39
• 第2章 實驗裝置和數(shù)值研究方法39-57
• 2.1 實驗裝置39-53
• 2.1.1 實驗葉柵及葉尖小翼的設(shè)計39-42
• 2.1.2 低速風(fēng)洞實驗系統(tǒng)42-43
• 2.1.3 五孔探針及其校準(zhǔn)43-46
• 2.1.4 實驗測點布置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)46-48
• 2.1.5 實驗數(shù)據(jù)處理與分析48-53
• 2.2 數(shù)值研究方法53-56
• 2.2.1 網(wǎng)格的生成54-55
• 2.2.2 邊界條件設(shè)定55-56
• 2.2.3 計算結(jié)果驗證56
• 2.3 本章小結(jié)56-57
• 第3章 不同幾何參數(shù)葉尖小翼對葉柵葉頂間隙流動的影響57-87
• 3.1 葉頂間隙泄漏流動對渦輪葉柵氣動性能的影響58-64
• 3.1.1 葉頂間隙的存在對葉頂間隙區(qū)域流場的影響58-59
• 3.1.2 葉頂間隙的存在對葉片表面流場的影響59-61
• 3.1.3 葉頂間隙的存在對葉柵出口截面流場的影響61-64
• 3.2 壓力面小翼寬度對葉柵間隙泄漏流動的影響64-73
• 3.2.1 壓力面小翼對葉頂間隙區(qū)域流場的影響64-67
• 3.2.2 壓力面小翼對葉片表面流場的影響67-70
• 3.2.3 壓力面小翼對葉柵出口截面流場的影響70-73
• 3.3 吸力面小翼寬度對葉柵間隙泄漏流動的影響73-81
• 3.3.1 吸力面小翼對葉頂間隙區(qū)域流場的影響73-76
• 3.3.2 吸力面小翼對葉片表面流場的影響76-78
• 3.3.3 吸力面小翼對葉柵出口截面流場的影響78-81
• 3.4 組合小翼對葉柵間隙泄漏流動的影響81-86
• 3.4.1 組合小翼對葉頂間隙區(qū)域流場的影響81-83
• 3.4.2 組合小翼對葉片表面流場的影響83-84
• 3.4.3 組合小翼對葉柵出口截面流場的影響84-86
• 3.5 本章小結(jié)86-87
• 第4章 不同間隙高度下葉尖小翼對葉柵間隙流動的影響87-128
• 4.1 間隙高度對無葉尖小翼渦輪葉柵的氣動性能的影響87-94
• 4.1.1 間隙高度對葉頂間隙區(qū)域流場的影響87-90
• 4.1.2 間隙高度對葉片表面流場的影響90-92
• 4.1.3 間隙高度對葉柵出口截面流場的影響92-94
• 4.2 壓力面小翼在不同間隙高度下對葉柵間隙泄漏流動的影響94-108
• 4.2.1 壓力面小翼對葉頂間隙區(qū)域流場的影響95-101
• 4.2.2 壓力面小翼對葉片表面流場的影響101-103
• 4.2.3 壓力面小翼對葉柵出口截面流場的影響103-108
• 4.3 吸力面小翼在不同間隙高度下對葉柵間隙泄漏流動的影響108-119
• 4.3.1 吸力面小翼對葉頂間隙區(qū)域流場的影響108-113
• 4.3.2 吸力面小翼對葉片表面流場的影響113-114
• 4.3.3 吸力面小翼對葉柵出口截面流場的影響114-119
• 4.4 組合小翼在不同間隙高度下對葉柵間隙泄漏流動的影響119-126
• 4.4.1 組合小翼對葉頂間隙區(qū)域流場的影響119-122
• 4.4.2 組合小翼對葉片表面流場的影響122-123
• 4.4.3 組合小翼對葉柵出口截面流場的影響123-126
• 4.5 本章小結(jié)126-128
• 第5章 不同來流沖角下葉尖小翼控制葉柵間隙流動的影響128-165
• 5.1 來流沖角對無葉尖小翼渦輪葉柵氣動性能的影響128-135
• 5.1.1 來流沖角對葉頂間隙區(qū)域流場的影響128-130
• 5.1.2 來流沖角對葉片表面流場的影響130-133
• 5.1.3 來流沖角對葉柵出口截面流場的影響133-135
• 5.2 壓力面小翼在不同來流沖角下對葉柵間隙泄漏流動的影響135-146
• 5.2.1 壓力面小翼對葉頂間隙區(qū)域流場的影響135-140
• 5.2.2 壓力面小翼對葉片表面流場的影響140-142
• 5.2.3 壓力面小翼對葉柵出口截面流場的影響142-146
• 5.3 吸力面小翼在不同來流沖角下對葉柵間隙泄漏流動的影響146-155
• 5.3.1 吸力面小翼對葉頂間隙區(qū)域流場的影響146-150
• 5.3.2 吸力面小翼對葉片表面流場的影響150-151
• 5.3.3 吸力面小翼對葉柵出口截面流場的影響151-155
• 5.4 組合小翼在不同來流沖角下對葉柵間隙泄漏流動的影響155-163
• 5.4.1 組合小翼對葉頂間隙區(qū)域流場的影響156-159
• 5.4.2 組合小翼對葉片表面流場的影響159-160
• 5.4.3 組合小翼對葉柵出口截面流場的影響160-163
• 5.5 本章小結(jié)163-165
• 結(jié)論165-168
• 參考文獻(xiàn)168-177
• 攻讀學(xué)位期間公開發(fā)表論文177-178
• 致謝178-179
• 作者簡介179

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1080510