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叶尖小翼控制压气机叶顶间隙流动的研究

作　者: 韩少冰
导　师: 钟兢军
学　校: 大连海事大学
专　业: 轮机工程
关键词: 压气机叶栅转子级叶尖小翼叶尖泄漏涡
分类号: TK474.8
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

叶顶间隙流动对压气机性能和稳定性都有着极其重要影响,如何通过合理控制叶顶间隙流动,调控叶尖各旋涡之间的相互作用,对于提高燃气轮机的气动性能和稳定性有着重要意义。近年来,叶尖小翼技术在叶轮机械领域也受到广泛关注,对其作用机理进行详细深入的研究,可以为提高叶尖小翼技术在实际压气机中应用的可靠性、有效性及广延性奠定基础。本文采用实验测量并结合数值模拟,针对叶尖小翼控制压气机矩形叶栅和压气机转子间隙流动进行研究,揭示了叶尖小翼对压气机叶栅和转子气动性能的影响规律。通过改变间隙尺寸、来流冲角及小翼几何形状,研究了以上诸因素对叶尖小翼控制间隙泄漏效果的影响。本文第一部分首先实验研究了叶尖泄漏与压气机叶栅三维角区分离之间的相互作用机制,而后研究了近零冲角和不同负冲角条件下不同安装方式叶尖小翼对叶栅间隙流场的影响。结果表明适当大小的叶顶间隙引入的泄漏流阻止了端壁二次流动与叶片吸力面附面层之间的相互作用,消除了三维角区分离,改善了叶栅性能。吸力面小翼使得泄漏涡涡核更靠近叶栅流道中部,上通道涡受泄漏涡的挤压作用迁移至相邻叶片压力面侧,叶顶泄漏涡、上通道涡及集中脱落涡之间的相互作用减弱。压力面小翼使得叶尖泄漏流切向动量减弱,泄漏涡涡核向叶片吸力面/端壁角区侧迁移。泄漏涡对上通道涡的抑制作用减弱,上通道涡的作用范围扩大。组合小翼方案中存在着吸力面小翼和压力面小翼的双重作用,受其叶顶较宽及带来的附加摩阻较大的影响,在大负冲角时叶片端壁/吸力面角区处泄漏涡造成的高损失显著降低,近端壁区气流欠偏转程度减弱。第二部分实验研究了带不同宽度叶尖小翼叶栅的变间隙特性和变冲角特性。结果表明,小间隙时不同宽度叶尖小翼均使得叶栅损失增加,中等间隙和大间隙时不同宽度的吸力面小翼均使得泄漏涡强度减弱且作用范围减小,通道涡更靠近相邻叶片压力面且作用范围缩小,叶栅总损失降低。最大宽度的压力面小翼降低了50%-80%叶高的叶片尾迹区损失,叶栅总损失较其他叶栅为最低,但会使得叶栅出口气流角沿展向分布的不均匀性增强。在较大的正冲角条件下不同宽度的叶尖小翼仅弱化了间隙中后部的泄漏流强度,减少了其对泄漏涡的补充作用。第三部分首先利用数值模拟方法研究了融合式叶尖小翼对叶栅间隙流场的影响,结果表明不同安装方式的融合式叶尖小翼都可以有效降低叶顶泄漏流速,削弱泄漏涡强度,叶尖小翼改变了叶尖负荷及泄漏涡运行轨迹,进而影响了叶尖流场各涡系之间的相互作用。其次研究了端壁相对运动对叶栅间隙流动的影响,发现端壁相对运动时叶栅通道内出现刮削泄漏涡,上通道涡及叶顶分离涡受到抑制,叶尖负荷增大,间隙泄漏流量增加。接着探讨了融合式叶尖小翼对压气机低速孤立转子气动性能的影响,融合式吸力面小翼使得转子中泄漏涡轨迹更远离叶片吸力而,减弱了其对叶片吸力面附而层的卷吸吸作用,导致叶片吸力面附面层分离程度加剧。压力面小翼使得泄漏涡轨迹更靠近叶片吸力面,抑制了转子叶片吸力面的附面层分离,可以在效率略有降低的情况下有效拓宽压气机转子的流量范围。接着针对某跨音压气机级详细分析了影响其失速稳定性的关键因素,压气机级在设计转速工作时,动叶中激波/叶尖泄漏涡相互作用产产的阻塞区和附面层径向涡引发的附面层分离阻塞区及它们所导致的下游静叶附面层分离是影响压气机级失速的关键因索。最后研究了融合式叶尖小翼对跨音速压气机转子动性能的影响,发现吸力面小翼使得泄漏涡较早地与通道激波作用并发生破裂,造成叶片通道上游压力面侧形成的低速区范围较原型动叶显著增大,诱发跨音速转子较早失速。压力面小翼方案中，通道激波位置较原型更远离叶片前缘,同时受从转子前缘叶尖发出的泄漏流强度减弱的影响,泄漏涡与通道激波作用后产生的阻塞区缩小,推迟了跨音转子失速的发生。第四部分详细介绍了跨音速压气机级试验系统的组成,设计了带叶尖小翼的压气机级试验件,给出了跨音速压气机级常规性能的测量方案及数据处理方法设计了三维PIV可视化流场测量方案,为下一步开展带叶尖小翼的的跨音速压气机级试验验证奠定了基础。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第1章绪论  14-48
  1.1 研究背景及意义  14-15
  1.2 压气机间隙流的研究现状  15-32
    1.2.1 压气机叶顶泄漏理论模型研究  16-22
    1.2.2 压气机矩形叶栅叶顶泄漏研究  22-26
    1.2.3 压气机转子叶顶泄漏研究  26-31
    1.2.4 压气机悬臂静叶间隙流动研究  31-32
  1.3 压气机间隙流动控制技术研究概况  32-40
    1.3.1 机匣处理  32-34
    1.3.2 叶顶喷气  34-35
    1.3.3 等离子激励  35-37
    1.3.4 弯/掠动叶  37-38
    1.3.5 动叶尖几何修型  38-40
  1.4 叶尖小翼技术及其在叶轮机械领域的研究现状  40-46
  1.6 本文主要研究内容  46-48
第2章叶栅实验装置及数据处理方法  48-62
  2.1 实验风洞  48-49
  2.2 实验叶栅参数及来流条件  49-51
  2.3 叶尖小翼的设计  51
  2.4 五孔探针及其校准  51-55
  2.5 测点布置及数据采集系统  55-56
  2.6 实验数据处理与分析  56-60
    2.6.1 叶栅坐标系统  56-57
    2.6.2 二次流的定义  57-58
    2.6.3 数据处理公式  58-59
    2.6.4 平均量的定义  59-60
    2.6.5 误差分析  60
  2.7 本章小结  60-62
第3章不同安装方式叶尖小翼对叶栅间隙流场的影响  62-98
  3.1 引言  62
  3.2 叶尖泄漏与压气机叶栅三维角区分离相互作用  62-70
    3.2.1 设计来流工况下  63-67
    3.2.2 非设计来流工况下  67-70
  3.3 近零冲角下叶栅的气动特性和二次流结构  70-83
    3.3.1 叶栅出口二次流速度矢量分布  70-73
    3.3.2 叶栅出口轴向涡量分布  73-76
    3.3.3 叶栅上端壁静压系数分布  76-78
    3.3.4 叶栅出口总压损失分布  78-82
    3.3.5 叶栅节距平均出口气流角沿叶高方向的分布  82-83
  3.4 不同负冲角下叶栅气动特性及二次流结构  83-96
    3.4.1 不同负冲角下叶栅出口二次流速度矢量和涡量分布  83-89
    3.4.2 不同负冲角下叶栅上端壁静压系数分布  89-91
    3.4.3 不同负冲角下叶栅出口总压损失变化  91-95
    3.4.4 不同负冲角下节距平均出口气流角沿叶高变化  95-96
  3.5 本章小结  96-98
第4章不同宽度叶尖小翼对叶栅间隙流场的影响  98-135
  4.1 引言  98
  4.2 带不同宽度叶尖小翼叶栅的变间隙特性  98-117
    4.2.1 叶栅出口总压损失系数  98-104
    4.2.2 叶栅出口二次流速度矢量和轴向涡量  104-112
    4.2.3 叶栅上端壁静压系数  112-116
    4.2.4 叶栅节距平均出口气流角沿叶高的分布  116-117
  4.3 带不同宽度叶尖小翼叶栅的变冲角特性  117-130
    4.3.1 叶栅出口总压损失系数  117-122
    4.3.2 叶栅出口二次流速度矢量和轴向涡量  122-127
    4.3.3 叶栅上端壁静压系数  127-130
    4.3.4 叶栅节距平均出口气流角沿叶高的分布  130
  4.4 带叶尖小翼的扩压叶栅旋涡模型  130-133
  4.5 本章小结  133-135
第5章融合式叶尖小翼对压气机叶栅和转子气动性能的影响  135-183
  5.1 引言  135
  5.2 融合式叶尖小翼对压气机叶栅气动性能的影响  135-147
    5.2.1 物理模型和计算方法  135-137
    5.2.2 带不同安装方式叶尖小翼叶栅间隙流动分析  137-141
    5.2.3 带融合式吸力面小翼叶栅的变间隙特性  141-147
  5.3 端壁相对运动对压气机叶栅间隙流场的影响  147-153
    5.3.1 物理模型和计算方法  147-148
    5.3.2 计算结果分析与讨论  148-153
  5.4 融合式叶尖小翼对低速压气机转子气动性能的影响  153-166
    5.4.1 物理模型和计算方法  153-156
    5.4.2 计算结果分析与讨论  156-166
  5.5 影响跨音压气机级失速稳定性的关键因素分析  166-172
    5.5.1 物理模型和计算方法  166-167
    5.5.2 计算结果分析与讨论  167-172
  5.6 融合式叶尖小翼对跨音速压气机转子气动性能的影响  172-180
    5.6.1 物理模型和计算方法  172-175
    5.6.2 计算结果分析与讨论  175-180
  5.7 本章小结  180-183
第6章跨音速压气机级试验系统及测量方案设计  183-193
  6.1 引言  183
  6.2 跨音速压气机级试验系统介绍  183-186
  6.3 跨音速压气机级试验件设计  186-187
  6.4 跨音速压气机级常规性能测量方案设计  187-189
  6.5 跨音速压气机级三维PIV测量方案设计  189-192
  6.6 本章小结  192-193
结论与展望  193-197
参考文献  197-218
附录符号表  218-219
攻读学位期间公开发表论文  219-221
致谢  221-222
作者简介  222

叶尖小翼控制压气机叶顶间隙流动的研究

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