【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(jí)的流動(dòng)中,葉頂間隙泄漏引起的一系列問(wèn)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(lái)源之一。間隙泄漏問(wèn)題得到越來(lái)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(guò)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(huì)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(jí)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(lái)的損失,提高渦輪級(jí)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(lái)改善流場(chǎng),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(guò)對(duì)原型帶冠渦輪級(jí)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(duì)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(jí)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(duì)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(jí)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(jí)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(duì)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(huì)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(huì)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(duì)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(zhǎng)率均低于原型帶冠渦輪泄漏流量隨間隙的增長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)于泄漏流的控制效果最佳,并且對(duì)于渦輪級(jí)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(jí)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(jí)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(duì)流場(chǎng)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)。

圖 1-3 帶冠渦輪弧形端壁造型優(yōu)化三級(jí)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(duì)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(guò)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(duì) 1.5 級(jí)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(duì)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(duì)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(wú)冠時(shí)的葉尖泄漏流動(dòng)問(wèn)題，有流動(dòng)的研究比較較少。其中鄢景等[17]對(duì)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK473

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本文編號(hào)：2613562