跨音速流动中涡轮动叶叶顶的气膜冷却特性分析

为了掌握跨音速流动中涡轮动叶叶顶气膜冷却特性,采用压敏漆测试技术来研究叶顶间隙高度和质量流量比对叶顶气膜冷却特性的影响规律。研究结果表明:在小质量流量比条件下,增加叶顶间隙高度能够有效改善叶顶中弦区域的气膜覆盖,然而当质量流量较大时,叶顶间隙高度变化对叶顶中弦区域的气膜冷却效率分布影响并不明显;在小叶顶间隙高度条件下,随着质量流量比增加,叶顶中弦区域冷气覆盖效果逐渐变差,在大叶顶间隙高度条件下,仅当质量流量比从0.1%+0.05%增加到0.14%+0.07%时,叶顶中弦区域的冷气覆盖效果才有所改善。

涡轮动叶倾斜肩壁凹槽状叶顶气动性能研究

基于垂直肩壁凹槽状叶顶,提出肩壁向外倾斜以实现叶顶泄漏损失的控制,并对比了3种肩壁倾斜方式(压力侧倾斜、吸力侧倾斜、压力侧和吸力侧同时倾斜)和5种肩壁倾角(10°、20°、30°、40°、50°)的涡轮动叶倾斜肩壁凹槽状叶顶结构的泄漏流动特征和动叶出口总压损失分布。结果表明:压力侧倾斜肩壁阻碍了泄漏流从压力侧进入叶顶间隙,而吸力侧倾斜肩壁对泄漏涡产生压迫,泄漏涡朝远离机匣面和吸力面的方向偏移,3种肩壁倾斜方式均减弱了叶顶间隙泄漏流在叶顶间隙内的湍流耗散。当倾角较小时,泄漏流与主流的掺混损失因速度差的提高而增大,随着倾角继续增大,泄漏量的大幅下降弥补了速度差增大带来的负面效果,泄漏损失逐渐减小。对于压力侧和吸力侧倾斜肩壁凹槽叶顶,当倾角大于40°时,主流从吸力侧进入凹槽,加剧了下游区域的泄漏流动,叶顶泄漏损失反而增大。两侧倾斜肩壁凹槽状动叶叶顶具有最低的叶顶总压损失,相比垂直肩壁凹槽状叶顶下降了13%。研究内容为提高凹槽状动叶叶顶气动性能的肩壁结构设计提供了参考。

机匣周向槽对跨声速涡轮叶顶泄漏流结构和气动特性影响的研究

为了控制涡轮叶顶间隙泄漏流以改善叶顶区域的流动状况,提出了机匣周向槽造型方法。以典型跨声速涡轮级(Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics,TTM)模型为对象,研究了不同高度的机匣周向槽造型对涡轮叶顶流动结构和气动特性的影响。结果表明,引入机匣周向槽造型后,近叶顶涡系结构发生了显著变化,叶顶泄漏涡(TLV)分为前后两部分,TLV-1穿过上通道涡(UPV)并逐渐被消耗,TLV-2则在周向槽之后重新形成并发展至尾缘,导致TLV的强度减弱,尺度减小。此外,由于周向槽的卷吸削弱了马蹄涡压力侧分支(HVP)的强度,加上TLV-1的压制和消耗,UPV更为远离机匣,与TLV的交互作用减弱,其强度减弱,尺度减小。总体而言,随着造型高度增大,叶顶间隙泄漏率逐渐减小,涡轮级总静效率先增大后减小。相比于无周向槽设计,当造型高度为2倍叶顶间隙时,叶顶泄漏率可降低0.15%,涡轮级总静效率可提升0.31%。

离散隔板式迷宫叶顶冷却效率试验分析

为减小涡轮机动叶顶部间隙泄漏造成的气动损失、提高叶顶冷却效率,提出在凹槽叶顶离散排布小隔板迷宫。根据某涡轮机动叶结构,设计了迷宫叶顶气膜冷却效率试验台,通过稳态液晶技术测量了间隙叶高比分别为1.0%,2.0%,3.0%和吹风比分别为1.0,1.5,2.0时隔板迷宫叶顶和凹槽叶顶的气膜冷却效率。结果表明:2种叶顶结构的平均冷却效率均随着叶顶间隙高度的增加而减小;在某间隙高叶比和吹风比范围内,隔板迷宫叶顶冷却效率最多比凹槽叶顶冷却效率高出63%;隔板迷宫显著扩大了叶顶的冷却范围,提高了冷却效率,使冷却效率的分布更加均匀。

涡轮叶顶冷却布置对叶顶传热冷却性能的影响

本文采用数值模拟的方法,对比分析了1+1/2对转涡轮四种不同的叶顶冷却布置方案对叶顶传热、冷却性能以及气动特性的影响。四种布置方案分别是:靠近压力面垂直叶顶方向、靠近压力面且与叶顶有30°出射角、中弧线位置垂直叶顶方向、中弧线位置有30°出射角。研究表明,气膜孔沿压力面布置与气膜孔沿中弧线布置相比可以降低叶顶传热系数;由于气膜孔倾斜布置气膜射流动量降低,且削弱了肾形涡的影响,气膜的侧向覆盖范围增大。因此气膜孔靠近压力面布置可以提高气膜冷却效率;气膜孔靠近压力面且有30°出射角比垂直布置叶顶热负荷减少2.7%。另外,气膜孔靠近压力面布置可以降低主流的泄漏流量,有利于减小泄漏损失和提高涡轮效率。