涡轮间隙泄漏涡破碎对损失的影响.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252014V01．35No．51257—1264ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．cnhkxb@buaa．edu．cn涡轮间隙泄漏涡破碎对损失的影响高杰1，郑群1’*，许天帮2，张正一11．哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨1500012．中国船舶重工集团公司第703研究所，黑龙江哈尔滨150078摘要：采用数值方法联合标准^m两方程湍流模型求解雷

2、诺平均Navier-Stokes方程组，研究了不同间隙高度下GE—E3(EnergyEfficientEngine)涡轮第一级动叶顶部间隙泄漏涡(TLV)的破碎特性及其对泄漏损失的影响。首先描述了泄漏涡的破碎现象，并对其动力学特性进行了理论分析，接着研究了间隙高度对泄漏涡结构及破碎特性的影响，最后对泄漏涡破碎与损失的关系进行了探讨。研究结果表明：涡轮叶顶间隙泄漏涡具有不稳定特性，当泄漏涡具有足够的强度可以克服通道涡卷吸形成完整涡结构时，在叶片后半部分逆压区发生了涡破碎现象，带来了额外的涡破碎损失；

3、间隙高度对泄漏涡破碎位置的影响比较明显，在大间隙下泄漏涡趋于相对稳定；叶顶泄漏流产生的掺混损失以泄漏涡的破碎为标志分为两个阶段，大量的掺混损失发生在泄漏涡破碎之后，这也是叶顶泄漏流产生损失的主要部分。关键词：涡轮；叶顶泄漏流；旋涡破碎；间隙高度；气动损失中图分类号：V231-3文献标识码：A文章编号：10006893(2014)05—1257—08涡轮叶顶间隙泄漏流动是一个既传统又现代的工程问题和学科前沿课题，对涡轮的气动性能、传热、振动和噪声等都有着十分重要的影响，涡轮中大约三分之一的损失与叶顶

4、泄漏流动有关uj。采用相关控制措施去尽量减小涡轮叶顶泄漏流动带来的负面影响是近年来涡轮叶顶间隙领域研究的热点和难点问题之一。国内外学者针对叶顶间隙流动进行了广泛的研究口。4]，并在此基础上提出了许多控制叶顶间隙泄漏损失的措施，比如：肋条叶顶[5]、翼梢小翼邸]、机匣端壁处理口1以及叶顶喷气[81等。但是，这些措施大都从直接控制间隙泄漏量的角度出发去控制间隙泄漏损失，并没有寻求从控制间隙泄漏流与主流掺混的角度采取控制措施。随着现代燃气涡轮向高性能、大功率方向发展，高负荷、大气流折转角、高涡轮进El温

5、度、冷却叶片已成为其主要发展趋势，这些新特征使得间隙泄漏流速度很大，间隙流动变得更加复杂，当间隙泄漏流进入主流后会带来很大的掺混损失。然而，现代密封结构或者密封措施对于控制涡轮间隙泄漏量已没有太大空间，进一步的涡轮间隙端区性能改善则需通过组织和控制叶顶间隙泄漏流本身来实现，因此，叶顶间隙泄漏流所导致的掺混损失的形成机制及其影响因素是一个很有前景的研究方向。不过，国内外学者针对这一方面的研究还很少，现有研究只是从叶顶间隙泄漏流与通道主流之间速度大小和方向的不匹配导致掺混损失这一角度开展研究并采取控制

6、措施[9]，而忽略了叶顶间隙泄漏流进入主流后所卷起形成的间隙泄漏涡收稿日期：2013—07—01；退修日期：2013—10—23；录用日期：2013-11—11；网络出版时间：2013-11—2711：20网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929．V．201311271120002htmI基金项目：中央高校基本科研业务费专项基金(HEUCFl30310)*通讯作者．Tel．：0451—82518116E—mail：zhengqun@hrbeu．educa引用格武

7、：GaoJ，ZhengQ．XuTB，etal．EffectoftipleakagevortexbreakdownOnlossesinturbinesEJJActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2014．34(5)：1257-1264．高杰，郑群．许天帮，等涡轮蛹睬灌漏涡破碎对损失的影响!∞航空学报，2014，35(5)：1257-1264航空学报May252014V01．35No5(TLV)，其作为一种“旋拧涡”，自身还存在着稳定性问题。旋涡破碎是工程上和自然界中

8、的旋拧涡特有的一种不稳定流动现象，旋涡破碎的显著特征是在涡核中存在滞止点，目前的研究认为旋涡是否破碎主要取决于流向逆压梯度和涡旋强度口⋯。瑞士联邦理工学院的Sell等[1妇通过数值研究发现，在2．63％叶高间隙下涡轮近叶顶后半部分靠近吸力侧存在逆流区域，他们认为可能是间隙泄漏涡破碎所致。西北工业大学的李伟等n21结合Rains间隙泄漏流动模型和Crow长波不稳定性理论对涡轮间隙泄漏涡进行了不稳定性分析，结果指出，涡轮叶顶间隙泄漏涡是不稳定的，并且，在0．5％～2．5％叶高间隙下的泄