【摘要】：提高航空發(fā)動機三大核心部件之一的渦輪的氣動效率有著重要的經(jīng)濟意義,其單級氣動損失的近三分之一來自于動葉葉頂?shù)拈g隙泄漏流動。因此,對渦輪動葉葉頂間隙泄漏流動施加流動控制方法以減小氣動損失是有實際經(jīng)濟效益的。流動控制方法主要包括主動流動控制方法以及被動流動控制方法兩種。其中,被動流動控制方法有不需要布置額外復(fù)雜結(jié)構(gòu),簡單且易于實施的優(yōu)勢。本課題通過實驗與數(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流動控制方法相結(jié)合。利用五孔探針在出口處獲取流場內(nèi)的流動信息,利用一種改進的端壁靜壓測量方法獲取端壁處的靜壓信息,并在端壁運用油流法進行流場顯示,利用數(shù)值方法著重觀察葉頂處的流動情況,對兩種被動流動控制方法對流場氣動性能的改善效果進行了詳細(xì)的研究。通過實驗方法,研究單獨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)了沿著展向的運動并在凹槽中形成渦旋,阻礙了泄漏流動,使得通道渦和泄漏渦的形成較晚且進一步的發(fā)展受到抑制。通過探究在設(shè)計工況以及非設(shè)計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)取得一定流動控制效果的前提下,布置非均勻葉頂間隙能夠進一步控制葉頂處的泄漏流動并減小總壓損失。在不同的間隙大小以及不同的攻角條件下,漸擴型間隙都取得了更好的氣動性能:流道內(nèi)質(zhì)量平均總壓損失更小且通流流量更大。這是因為,在凹槽葉頂使流體形成展向運動阻礙泄漏流動的基礎(chǔ)上,漸擴型葉頂能夠進一步推遲通道渦與泄漏渦的形成過程。在端壁流場上可以很明顯地觀察到小間隙下漸擴型葉頂能夠促進泄漏流在凹槽內(nèi)沿著展向的流動,并且抑制泄漏流通過葉頂流向相鄰流道;而大間隙下這種作用仍舊存在。漸擴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。通過探究非設(shè)計工況下的方案的作用效果,得出了漸擴型間隙減小損失的效果在非設(shè)計工況仍舊適用且更明顯的結(jié)論。無論是正攻角還是負(fù)攻角,無論是大間隙還是小間隙,非設(shè)計工況下的漸擴型間隙的作用效果都得到了加強。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,效果加強的原因在于負(fù)攻角下凹槽內(nèi)徑向流動更明顯,導(dǎo)致阻礙泄漏流動的作用效果更加明顯。正攻角下,均勻葉頂?shù)男孤┝鲃痈訌娏?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。通過數(shù)值方法,對實驗中難以直接觀測到的葉頂處的流場進行著重分析�？梢园l(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,漸擴間隙下的這種作用效果更加明顯。漸擴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性能的改善。漸擴間隙的布置能夠增強凹槽內(nèi)徑向流動,從而阻礙泄漏流動。
【圖文】：

向非均勻凹槽葉頂?shù)难芯坑蓪嶒炁c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葉頂泄漏流動與葉柵由于實驗方法很難反映間隙內(nèi)部的具體流場細(xì)節(jié)，采用數(shù)值方的流場進行分析。方法完成于哈爾濱工業(yè)大學(xué)發(fā)動機氣體動力研究中心低速葉柵風(fēng)洞布置情況如圖 2-1 所示。來流由一臺 75kW 的異步電機帶動離心口處有可調(diào)入口閥(8)，使得來流總壓和速度連續(xù)可調(diào)。氣流經(jīng)經(jīng)過擴張段(2)進入穩(wěn)壓室(3)。穩(wěn)壓室中布置了兩層過濾網(wǎng)(9)并氣流基本均化，同時設(shè)有觀察窗(11)以觀察并清洗過濾網(wǎng)(9)處驗段前設(shè)有皮托管(5)以測量來流狀況。通過半圓盤(6)可以連續(xù)面介紹具體實驗實施過程。

圖 2-2 實驗段軸測視圖表 2-1 葉柵基本參數(shù)數(shù) 符號 值 弦長高距轉(zhuǎn)角裝角片數(shù)馬赫數(shù)基于軸向弦長)bHtΔβγnMaReb71.61608086.0445.2260.284.6x105了待測葉柵的葉片、凹槽形狀和一些幾何參數(shù)的氣渦輪頂部截面，經(jīng)過幾何相似得到，，具有折計算機編程，通過板卡控制步進電機，使得探將流場中的時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)測量布且在端壁附面層，尾跡區(qū)以及二次流對應(yīng)區(qū)域進
【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】：V231.3

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本文編號：2596448