【摘要】：渦輪作為燃?xì)廨啓C(jī)三大部件之一,其性能的變化與燃?xì)廨啓C(jī)整體的性能有緊密的聯(lián)系。在渦輪級的流動(dòng)中,葉頂間隙泄漏引起的一系列問題是包括燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械在內(nèi)的引起損失的重要來源之一。間隙泄漏問題得到越來越多的關(guān)注,其中燃?xì)廨啓C(jī)中由葉頂間隙引起的流動(dòng)損失占到三分之一以上。減小葉頂泄漏流動(dòng)的一種方式是在葉頂加裝封嚴(yán)結(jié)構(gòu),葉冠的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)因具有良好的氣動(dòng)性能以及結(jié)構(gòu)特性廣泛的應(yīng)用在低壓渦輪結(jié)構(gòu)中。葉冠幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得其流動(dòng)和熱力學(xué)過程十分復(fù)雜,泄漏流從葉冠容腔流出后,與主流發(fā)生摻混會進(jìn)一步影響渦輪出口的氣動(dòng)參數(shù)。本文的研究從在跨音速帶冠渦輪級的葉冠中增加篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)展開。高效的葉冠封嚴(yán)結(jié)構(gòu)能夠有效的控制葉冠內(nèi)的泄漏流,減少泄漏流動(dòng)所帶來的損失,提高渦輪級的氣動(dòng)性能。本文嘗試在渦輪葉冠中增加3種篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)來改善流場,分別為雙側(cè)交錯(cuò)篦齒方案、機(jī)匣篦齒方案和葉頂篦齒方案。通過對原型帶冠渦輪級以及3種增加不同篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的方案進(jìn)行RANS和URANS計(jì)算,分析不同的篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)對于帶冠渦輪葉頂泄漏流動(dòng)的影響以及相互之間的作用機(jī)理。首先根據(jù)原有帶冠渦輪級動(dòng)葉葉冠的幾何特征建立3種篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的模型,采用RANS的方法對4種方案進(jìn)行了定常的數(shù)值模擬計(jì)算,研究不同篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)下渦輪級的性能,結(jié)果表明三種封嚴(yán)篦齒結(jié)構(gòu)均能降低葉冠泄漏流率,其中機(jī)匣篦齒和雙側(cè)交錯(cuò)篦齒能夠有效的增加渦輪級的效率,雙側(cè)交錯(cuò)篦齒提升效率最高達(dá)到0.72%,泄漏流量從3.02%降低到1.07%。進(jìn)一步研究篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)對葉冠內(nèi)氣動(dòng)性能的影響,結(jié)果表明增加篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)后會增加葉冠內(nèi)的流動(dòng)損失,其中葉頂篦齒方案葉冠內(nèi)流動(dòng)損失增加最多,其總壓損失系數(shù)達(dá)到了45.2%。但篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的增加會降低泄漏流在葉冠出口處于主流流體的法向動(dòng)量差和切向動(dòng)量差,減少了泄漏流體與主流的摻混損失。而后分析了不同間隙條件和不同進(jìn)出口總壓條件下3種篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)對泄漏流動(dòng)的控制效果。隨著間隙高度的增加,帶有篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的三種方案的泄漏流量的增長率均低于原型帶冠渦輪泄漏流量隨間隙的增長率,并且雙側(cè)交錯(cuò)篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)下的泄漏流量隨間隙的增長率最低。在不同膨脹比條件下,三種篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)均能有效的降低葉冠容腔內(nèi)的泄漏流量,其中雙側(cè)交錯(cuò)篦齒對于泄漏流的控制效果最佳,并且對于渦輪級效率的提升最明顯。最后采用了Time transformation的數(shù)值計(jì)算方法分析四種方案下渦輪級的效率和葉冠內(nèi)的泄漏流率均表現(xiàn)的非定常特性,結(jié)果表明采用了雙側(cè)交錯(cuò)篦齒封嚴(yán)方案后,渦輪級的效率波動(dòng)幅值從4.6%降至4%,最高效率點(diǎn)達(dá)到93.4%。三種篦齒封嚴(yán)方案均能有效的控制葉冠內(nèi)的泄漏流率,其中雙側(cè)交錯(cuò)篦齒方案最佳,在一個(gè)周期任何時(shí)間段內(nèi)均有良好的效果,而機(jī)匣篦齒和葉冠篦齒僅在局部時(shí)間段內(nèi)改善泄漏流率。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文角。研究了帶冠和不帶冠渦輪葉頂間隙泄漏流流動(dòng)的影響，同時(shí)考慮了不同葉尖間隙高度對流場渦輪葉頂間隙流動(dòng)是由葉頂橫向壓差驅(qū)動(dòng)，并上通道渦的發(fā)展規(guī)律與間隙泄漏渦不一樣；針由上下壓差驅(qū)動(dòng)引起的，流體在葉冠容腔入口內(nèi)，，并且在葉冠容腔出口處與主流有著強(qiáng)烈的漏損失的主要部分。對帶冠渦輪進(jìn)行了不同維耦合數(shù)值模擬研究，要意義。如圖 1-2 所示，對于葉冠齒間的流動(dòng)進(jìn)、動(dòng)力、能量等關(guān)鍵特征并且能夠預(yù)測泄漏流模型。結(jié)果表明發(fā)展的葉冠模型以及多維耦合和性能進(jìn)行合理的預(yù)測。

圖 1-3 帶冠渦輪弧形端壁造型優(yōu)化三級渦輪葉冠容腔內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值研究，量的要求，對不同的葉冠結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析。結(jié)減少了 10%的葉冠質(zhì)量，通過改進(jìn)的葉冠結(jié)構(gòu)減少主流的摻混，氣動(dòng)性能與全葉冠相比并沒有下降，基本相同。 Denton[16]針對 1.5 級帶冠渦輪通道內(nèi)氣動(dòng)損失的研所引起的效率損失中，葉冠進(jìn)出口空腔流損失為 0及其對下游的氣流攻角所引起的損失為 0.4%，葉冠效率損失總和為 2.6%，可見，葉冠容腔結(jié)構(gòu)和泄漏影響，對于葉冠泄漏流的控制, 可以采用先進(jìn)的密封研究較多的是葉片無冠時(shí)的葉尖泄漏流動(dòng)問題，有流動(dòng)的研究比較較少。其中鄢景等[17]對不帶冠的動(dòng)頂間隙流、通道渦進(jìn)行了細(xì)致的分析，突出了在沒葉柵頂部的三維流動(dòng)特性。結(jié)果表明：在帶冠的動(dòng)了動(dòng)葉葉柵頂部泄漏流的流動(dòng)布局，強(qiáng)化了葉頂密
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK473

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本文編號：2613562