發(fā)布時(shí)間：2020-03-23 08:12

【摘要】：提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)三大核心部件之一的渦輪的氣動(dòng)效率有著重要的經(jīng)濟(jì)意義,其單級(jí)氣動(dòng)損失的近三分之一來(lái)自于動(dòng)葉葉頂?shù)拈g隙泄漏流動(dòng)。因此,對(duì)渦輪動(dòng)葉葉頂間隙泄漏流動(dòng)施加流動(dòng)控制方法以減小氣動(dòng)損失是有實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益的。流動(dòng)控制方法主要包括主動(dòng)流動(dòng)控制方法以及被動(dòng)流動(dòng)控制方法兩種。其中,被動(dòng)流動(dòng)控制方法有不需要布置額外復(fù)雜結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)單且易于實(shí)施的優(yōu)勢(shì)。本課題通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值方法,將已經(jīng)得到廣泛研究的葉頂凹槽技術(shù)和研究較少的軸向非均勻葉頂兩種被動(dòng)流動(dòng)控制方法相結(jié)合。利用五孔探針在出口處獲取流場(chǎng)內(nèi)的流動(dòng)信息,利用一種改進(jìn)的端壁靜壓測(cè)量方法獲取端壁處的靜壓信息,并在端壁運(yùn)用油流法進(jìn)行流場(chǎng)顯示,利用數(shù)值方法著重觀察葉頂處的流動(dòng)情況,對(duì)兩種被動(dòng)流動(dòng)控制方法對(duì)流場(chǎng)氣動(dòng)性能的改善效果進(jìn)行了詳細(xì)的研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法,研究單獨(dú)布置凹槽葉頂而不考慮軸向非均勻間隙的方案。其結(jié)果表明,單獨(dú)布置凹槽葉頂能夠在一定程度上降低葉柵中的總壓損失系數(shù):小間隙下總壓損失系數(shù)和大間隙下的總壓損失系數(shù)分別減小了1.92%和2.33%。其機(jī)理主要在于,布置凹槽后泄漏流在凹槽內(nèi)出現(xiàn)了沿著展向的運(yùn)動(dòng)并在凹槽中形成渦旋,阻礙了泄漏流動(dòng),使得通道渦和泄漏渦的形成較晚且進(jìn)一步的發(fā)展受到抑制。通過(guò)探究在設(shè)計(jì)工況以及非設(shè)計(jì)工況下使用軸向非均勻葉頂方法結(jié)合凹槽葉頂方法所對(duì)應(yīng)的總壓損失系數(shù)的變化,發(fā)現(xiàn)在使用凹槽葉頂已經(jīng)取得一定流動(dòng)控制效果的前提下,布置非均勻葉頂間隙能夠進(jìn)一步控制葉頂處的泄漏流動(dòng)并減小總壓損失。在不同的間隙大小以及不同的攻角條件下,漸擴(kuò)型間隙都取得了更好的氣動(dòng)性能:流道內(nèi)質(zhì)量平均總壓損失更小且通流流量更大。這是因?yàn)?在凹槽葉頂使流體形成展向運(yùn)動(dòng)阻礙泄漏流動(dòng)的基礎(chǔ)上,漸擴(kuò)型葉頂能夠進(jìn)一步推遲通道渦與泄漏渦的形成過(guò)程。在端壁流場(chǎng)上可以很明顯地觀察到小間隙下漸擴(kuò)型葉頂能夠促進(jìn)泄漏流在凹槽內(nèi)沿著展向的流動(dòng),并且抑制泄漏流通過(guò)葉頂流向相鄰流道;而大間隙下這種作用仍舊存在。漸擴(kuò)型間隙下通道渦與泄漏渦的形成被推遲,在出口處的尺度較小,且泄漏渦的高損失區(qū)脫離壁面。通過(guò)探究非設(shè)計(jì)工況下的方案的作用效果,得出了漸擴(kuò)型間隙減小損失的效果在非設(shè)計(jì)工況仍舊適用且更明顯的結(jié)論。無(wú)論是正攻角還是負(fù)攻角,無(wú)論是大間隙還是小間隙,非設(shè)計(jì)工況下的漸擴(kuò)型間隙的作用效果都得到了加強(qiáng)。然而正攻角和負(fù)攻角下的具體情況是不一樣的。負(fù)攻角下,效果加強(qiáng)的原因在于負(fù)攻角下凹槽內(nèi)徑向流動(dòng)更明顯,導(dǎo)致阻礙泄漏流動(dòng)的作用效果更加明顯。正攻角下,均勻葉頂?shù)男孤┝鲃?dòng)更加強(qiáng)烈,非均勻葉頂推遲通道渦和泄漏渦的生成并抑制其發(fā)展的作用效果更佳。通過(guò)數(shù)值方法,對(duì)實(shí)驗(yàn)中難以直接觀測(cè)到的葉頂處的流場(chǎng)進(jìn)行著重分析。可以發(fā)現(xiàn)流體在前緣處不僅從壓力面流入間隙,也從吸力面流入間隙,漸擴(kuò)間隙下的這種作用效果更加明顯。漸擴(kuò)間隙能夠有效減小總壓損失,增大通流流量,其泄漏流流量也是最大的,體現(xiàn)了減小泄漏流流量并不意味著氣動(dòng)性能的改善。漸擴(kuò)間隙的布置能夠增強(qiáng)凹槽內(nèi)徑向流動(dòng),從而阻礙泄漏流動(dòng)。
【圖文】：

向非均勻凹槽葉頂?shù)难芯坑蓪?shí)驗(yàn)與數(shù)值方法兩部分組成。其中不同工況、不同造型的軸向非均勻葉頂對(duì)葉頂泄漏流動(dòng)與葉柵由于實(shí)驗(yàn)方法很難反映間隙內(nèi)部的具體流場(chǎng)細(xì)節(jié)，采用數(shù)值方的流場(chǎng)進(jìn)行分析。方法完成于哈爾濱工業(yè)大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體動(dòng)力研究中心低速葉柵風(fēng)洞布置情況如圖 2-1 所示。來(lái)流由一臺(tái) 75kW 的異步電機(jī)帶動(dòng)離心口處有可調(diào)入口閥(8)，使得來(lái)流總壓和速度連續(xù)可調(diào)。氣流經(jīng)經(jīng)過(guò)擴(kuò)張段(2)進(jìn)入穩(wěn)壓室(3)。穩(wěn)壓室中布置了兩層過(guò)濾網(wǎng)(9)并氣流基本均化，同時(shí)設(shè)有觀察窗(11)以觀察并清洗過(guò)濾網(wǎng)(9)處驗(yàn)段前設(shè)有皮托管(5)以測(cè)量來(lái)流狀況。通過(guò)半圓盤(6)可以連續(xù)面介紹具體實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程。

圖 2-2 實(shí)驗(yàn)段軸測(cè)視圖表 2-1 葉柵基本參數(shù)數(shù) 符號(hào) 值 弦長(zhǎng)高距轉(zhuǎn)角裝角片數(shù)馬赫數(shù)基于軸向弦長(zhǎng))bHtΔβγnMaReb71.61608086.0445.2260.284.6x105了待測(cè)葉柵的葉片、凹槽形狀和一些幾何參數(shù)的氣渦輪頂部截面，經(jīng)過(guò)幾何相似得到，，具有折計(jì)算機(jī)編程，通過(guò)板卡控制步進(jìn)電機(jī)，使得探將流場(chǎng)中的時(shí)均壓力傳送給壓力傳感器，經(jīng)由程圖如圖 2-4 所示。其中，出口截面參數(shù)測(cè)量布且在端壁附面層，尾跡區(qū)以及二次流對(duì)應(yīng)區(qū)域進(jìn)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V231.3

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本文編號(hào)：2596448