高慶,屈杰,馬汀山,居文平,李軍,惠濤

(1.西安熱工研究院有限公司,710054,西安;2.西熱節(jié)能技術(shù)有限公司,710054,西安;3.西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所,710049,西安;4.中國建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司,710018,西安)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和重型燃?xì)廨啓C(jī)的主流流道中,由于周向壓力分布不均,會(huì)發(fā)生高溫燃?xì)馊肭值默F(xiàn)象。目前,工程中主要通過從壓氣機(jī)級(jí)引入低溫冷卻氣流來冷卻渦輪盤以阻塞高溫燃?xì)?。冷卻氣流一方面可對(duì)渦輪盤進(jìn)行有效充壓,達(dá)到冷卻封嚴(yán)的作用;另一方面,冷卻氣流透過輪緣密封間隙進(jìn)入主流流道后,會(huì)對(duì)渦輪級(jí)效率產(chǎn)生影響。輪緣密封間隙射流對(duì)主流渦輪級(jí)產(chǎn)生不利擾動(dòng)的同時(shí),會(huì)對(duì)下游端壁提供一定的氣膜保護(hù)作用。

諸多學(xué)者開展了大量的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值研究。McLean等有關(guān)冷卻結(jié)構(gòu)變化對(duì)冷氣流與主流相互作用的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[1-2]。Blanco等結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量與數(shù)值計(jì)算方法,研究了端壁臺(tái)階形式對(duì)渦輪級(jí)氣動(dòng)性能的影響[3]。Schuler等數(shù)值研究了兩種輪緣密封結(jié)構(gòu)在不同冷氣量時(shí)的燃?xì)馊肭痔匦砸约胺鈬?yán)射流對(duì)主流損失的影響[4]。Popovic等數(shù)值研究了輪緣密封結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)封嚴(yán)效率以及主流氣動(dòng)性能的影響[5]。Marini等針對(duì)嵌入型與抬升型不同這兩種動(dòng)葉端壁結(jié)構(gòu),數(shù)值研究了單級(jí)高壓軸流透平動(dòng)葉前緣端壁結(jié)構(gòu)對(duì)主流與冷氣流相互作用的影響[6]。Schuepbach等結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬研究了輪緣密封射流對(duì)于非軸對(duì)稱端壁造型的葉柵性能的影響[7]。Blot等實(shí)驗(yàn)對(duì)比了有無冷氣射流時(shí)葉柵通道總壓損失及二次流渦系結(jié)構(gòu)[8]。Jia等以某低展弦比葉柵為研究對(duì)象,數(shù)值分析了4種冷氣流量下有無間隙射流結(jié)構(gòu)時(shí)渦輪級(jí)氣動(dòng)性能的變化[9]。高慶等分析了在出口面積相同的直縫間隙、傾斜間隙以及在傾斜間隙基礎(chǔ)上改型得到的漸縮型、漸擴(kuò)型間隙這4種輪緣間隙結(jié)構(gòu)下,輪緣密封射流對(duì)渦輪級(jí)氣動(dòng)性能的影響[10]。程舒嫻等研究了動(dòng)葉前緣下端壁5種造型對(duì)輪緣密封流場(chǎng)和封嚴(yán)效率及動(dòng)葉氣動(dòng)性能的影響,結(jié)果表明,凹壁面端壁造型能使最小封嚴(yán)氣量減小14%以上[11]。賈惟等研究了輪轂封嚴(yán)對(duì)渦輪端區(qū)流動(dòng)的影響,結(jié)果表明,2%的封嚴(yán)流量使渦輪級(jí)效率降低約1.6%[12]。楊帆等研究了渦輪轉(zhuǎn)靜盤腔中輪緣封嚴(yán)氣流與下游轉(zhuǎn)子的干涉、損失機(jī)制,在不同封嚴(yán)流量下,有關(guān)輪緣封嚴(yán)氣流對(duì)下游轉(zhuǎn)子氣動(dòng)性能和流場(chǎng)分布的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬[13]。Popovic等數(shù)值研究了動(dòng)葉端壁上游輪緣密封射流流量以及預(yù)旋對(duì)其氣動(dòng)、傳熱性能的影響,結(jié)果表明,輪緣密封射流對(duì)下游動(dòng)葉及端壁的冷卻作用有限,射流冷氣主要集中在動(dòng)葉端壁吸力面前部和動(dòng)葉通道渦的吸力面[14]。Barigozzi等在直列葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了輪緣密封射流角度對(duì)動(dòng)葉氣熱性能的影響[15]。安玉戈等采用氣熱耦合方法,研究了輪緣密封射流對(duì)多級(jí)透平流動(dòng)結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)性能和熱負(fù)荷的影響[16]。

渦輪盤邊緣處的輪緣密封間隙結(jié)構(gòu)將直接影響冷卻氣流射流的形態(tài),從而影響渦輪級(jí)的氣動(dòng)性能及下游動(dòng)葉端壁的冷卻效果。因此,本文著重討論輪緣密封間隙導(dǎo)流段幾何結(jié)構(gòu)對(duì)渦輪級(jí)氣動(dòng)冷卻性能的影響,研究輪緣密封射流與上游主流摻混機(jī)理,旨在為高性能高效率的輪緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)積累。

1 計(jì)算模型與計(jì)算方法

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算模型為燃?xì)廨啓C(jī)裝置的二次空氣冷卻供應(yīng)系統(tǒng)的輪緣間隙部分,計(jì)算域包含透平主流流道及渦輪盤計(jì)算域,輪緣間隙計(jì)算結(jié)構(gòu)的二維示意圖如圖1所示。主流通道中渦輪級(jí)的葉型選用文獻(xiàn)[17]中的高負(fù)荷低展弦比透平葉型,靜葉數(shù)為30,動(dòng)葉數(shù)為45,輪緣密封結(jié)構(gòu)相關(guān)的幾何參數(shù)如表1所示,其中輪緣密封軸向間隙比Gc,ax=sc/b為0.023,盤腔間隙比G=s/b為0.087。

圖1 計(jì)算域結(jié)構(gòu)示意圖

mm

導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)為直縫間隙結(jié)構(gòu)時(shí),計(jì)算域的計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。多塊結(jié)構(gòu)化計(jì)算網(wǎng)格由NUMECA-AUTOGRID模塊生成,主流渦輪級(jí)流道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用H-O-H結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,葉片表面采用O型拓?fù)滟N體網(wǎng)格,葉片進(jìn)出口延伸處及盤腔結(jié)構(gòu)處為H型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,生成網(wǎng)格時(shí)保證主流通道與盤腔內(nèi)在密封間隙處網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)完全匹配,以保證求解精度。在主流通道中:靜葉沿周向布置55個(gè)節(jié)點(diǎn),沿著軸向布置73個(gè)節(jié)點(diǎn);動(dòng)葉片沿周向布置48個(gè)節(jié)點(diǎn),沿著軸向布置82個(gè)節(jié)點(diǎn)。主流通道沿著葉高方向布置49個(gè)節(jié)點(diǎn),在密封間隙處布置30個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算中主流進(jìn)口給定總壓P0=123 kPa,總溫為500 K,主流出口給定平均靜壓Pout=101 325 Pa,冷氣流進(jìn)口給定質(zhì)量流量,計(jì)算中冷氣流進(jìn)口總溫為300 K,旋轉(zhuǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)速為3 600 r/min。固壁面設(shè)置為無滑移絕熱壁面,動(dòng)靜計(jì)算域交界面設(shè)置于渦輪盤上游,連接方式為混合平面,對(duì)流項(xiàng)空間差分采用高精度混合格式,湍流模型采用SST模型。當(dāng)連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流方程的均方根殘差達(dá)到10-5、各計(jì)算域進(jìn)出口流量不平衡率小于0.1%時(shí),認(rèn)為計(jì)算收斂。

圖2 直縫間隙結(jié)構(gòu)輪緣密封計(jì)算網(wǎng)格

1.2 渦輪級(jí)氣動(dòng)性能計(jì)算方法可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所用數(shù)值方法及湍流模型在渦輪級(jí)氣動(dòng)性能計(jì)算方面的可靠性,本文采用SST湍流模型求解RANS方程組的方法,對(duì)Aachen一級(jí)半透平[18]進(jìn)行了計(jì)算,并與文獻(xiàn)[18]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。第一級(jí)靜葉出口氣流角、出口總壓、動(dòng)葉出口總壓沿葉高的分布如圖3～5所示,可知計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好,證明了本文所用數(shù)值方法及湍流模型可對(duì)渦輪級(jí)氣動(dòng)性能做出可靠評(píng)估。

圖3 Aachen渦輪級(jí)靜葉出口氣流角分布計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖4 Aachen渦輪級(jí)靜葉出口總壓計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖5 Aachen渦輪級(jí)動(dòng)葉出口總壓計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

2 輪緣密封幾何參數(shù)的影響

2.1 導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)對(duì)渦輪級(jí)氣動(dòng)性能影響

在典型直縫型導(dǎo)流段的基礎(chǔ)上,保持輪緣密封導(dǎo)流段進(jìn)口及出口尺寸不變,通過改變輪緣密封導(dǎo)流段引導(dǎo)線結(jié)構(gòu),分別拓展設(shè)計(jì)了圓型、橢圓型以及雙曲線型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu),4種導(dǎo)流段的幾何結(jié)構(gòu)示意圖和圓型與雙曲線型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)的計(jì)算網(wǎng)格如圖6、圖7所示,4種不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)計(jì)算中冷氣流的進(jìn)口參數(shù)保持一致,流量為主流流量的1%,進(jìn)口溫度為300 K。

輪緣密封射流情況的改變會(huì)直接影響到下游動(dòng)葉入口處的流動(dòng)狀態(tài),因此可先從動(dòng)葉進(jìn)口參數(shù)的變化來分析射流對(duì)下游葉柵及整級(jí)氣動(dòng)性能的影響,4種不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)下動(dòng)葉進(jìn)口氣流角沿葉高的分布如圖8所示,圖中h為動(dòng)葉高度,H為動(dòng)葉高度高大值。氣流角定義為

(a)直縫型導(dǎo)流段 (b)橢圓型導(dǎo)流段

(c)雙曲型導(dǎo)流段 (d)圓型導(dǎo)流段圖6 輪緣密封導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)示意圖

(a)圓型導(dǎo)流段 (b)雙曲型導(dǎo)流段圖7 圓型及雙曲型導(dǎo)流段計(jì)算網(wǎng)格

(a)動(dòng)葉進(jìn)口氣流角 (b)15%葉高以下動(dòng)葉進(jìn)口氣流角圖8 不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)動(dòng)葉進(jìn)口氣流角沿葉高的分布

(1)

式中:Wt為切向速度;Wz為軸向速度。

圖9 計(jì)算域中的坐標(biāo)系

計(jì)算域中的坐標(biāo)系如圖9所示,可知正角度氣流為負(fù)攻角,負(fù)角度氣流為正攻角。輪緣密封冷氣射流影響了下部氣流的偏轉(zhuǎn)程度,冷氣射流與主流相互作用下,在10%葉高位置以下出現(xiàn)了負(fù)攻角情況,但是在10%葉高位置以上的流動(dòng)區(qū)域冷氣射流擾動(dòng)較小。對(duì)比4種結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn):采用直縫間隙結(jié)構(gòu)時(shí),10%葉高位置以下的氣流負(fù)攻角現(xiàn)象最為明顯,橢圓型間隙結(jié)構(gòu)次之,采用圓型間隙結(jié)構(gòu)的氣流負(fù)攻角最小;5%葉高位置處,圓型間隙結(jié)構(gòu)下的動(dòng)葉進(jìn)口氣流角比直縫間隙結(jié)構(gòu)下的減小了15°。

4種不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)1%葉高動(dòng)葉表面靜壓的分布如圖10所示,圖中橫坐標(biāo)Cax為量綱一軸向距離。受到進(jìn)口氣流負(fù)攻角的作用,葉片前緣壓力滯止點(diǎn)的位置發(fā)生改變,葉片前緣處吸力面的壓力有所增大。隨著氣流攻角的增大,氣流撞擊到葉片吸力面所形成的滯止點(diǎn)位置會(huì)更加靠近葉片前緣處。在直縫間隙結(jié)構(gòu)中壓力滯止點(diǎn)位置位于約10%軸向弦長(zhǎng)處,而在圓型間隙結(jié)構(gòu)中壓力滯止點(diǎn)位置位于約4%軸向弦長(zhǎng),滯止點(diǎn)位置沿軸向移動(dòng)了約6%的軸向弦長(zhǎng)。同時(shí),由于滯止點(diǎn)位置的變化,吸力面前緣負(fù)荷分布變化較為劇烈。

圖10 不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)1%葉高處靜壓分布

為了進(jìn)一步研究葉片壓力分布的變化,給出了4種不同導(dǎo)流段動(dòng)葉端壁壓力云圖及合速度矢量圖,如圖11所示。由圖11可知:上游主流氣流通過輪緣密封后,與密封間隙射流混合,相對(duì)于主流速度,由于間隙射流的切向速度,存在切向滯后,因而混合后的氣流會(huì)發(fā)生切向偏離;由于氣流的偏離,摻混后的氣流將以負(fù)攻角流向進(jìn)入到動(dòng)葉通道中,氣流沖擊在動(dòng)葉吸力面前緣處,進(jìn)而形成壓力增高區(qū)域;對(duì)比4種不同導(dǎo)流段的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),直縫型導(dǎo)流段中負(fù)攻角最大,通道內(nèi)橫向流動(dòng)最明顯;橢圓型、雙曲型及圓型導(dǎo)流段中,射流的負(fù)攻角有所減小,通道內(nèi)的橫向流動(dòng)趨勢(shì)減弱,軸向流動(dòng)趨勢(shì)有所增強(qiáng)。

(a)直縫型導(dǎo)流段 (b)橢圓型導(dǎo)流段

(c)雙曲型導(dǎo)流段 (d)圓型導(dǎo)流段圖11 不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)動(dòng)葉端壁速度矢量及壓力分布

(a)動(dòng)葉進(jìn)口軸向速度 (b)15%葉高以下動(dòng)葉進(jìn)口軸向速度圖12 不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)動(dòng)葉進(jìn)口軸向速度沿葉高分布

(a)動(dòng)葉進(jìn)口切向速度 (b)15%葉高以下動(dòng)葉進(jìn)口切向速度圖13 不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)動(dòng)葉進(jìn)口切向速度沿葉高分布

4種不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)下,動(dòng)葉進(jìn)口軸向速度沿葉高的分布如圖12所示。由圖12可知:導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)葉進(jìn)口速度的影響區(qū)域,主要集中在20%以下葉高范圍,而在20%以上葉高區(qū)域速度場(chǎng)受到的擾動(dòng)較小;在5%葉高以下范圍內(nèi)直縫型導(dǎo)流段的軸向速度小于其他3種結(jié)構(gòu)的,這說明在直縫間隙結(jié)構(gòu)下氣流的貼壁性能最弱。4種導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)下,動(dòng)葉進(jìn)口切向速度沿葉高的分布如圖13所示。由圖13可知:不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)下,動(dòng)葉進(jìn)口切向速度的變化區(qū)域主要集中在20%以下葉高處,與圖12中的規(guī)律類似;圓型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)中的切向速度最小,由于射流以負(fù)攻角形式進(jìn)入葉柵通道,所以切向速度減小體現(xiàn)了攻角的減小。4種不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)下動(dòng)葉進(jìn)口徑向速度沿葉高分布如圖14所示,相比于圓型、橢圓型及雙曲型結(jié)構(gòu),可知直縫型結(jié)構(gòu)下的動(dòng)葉根部進(jìn)口徑向速度最大,因此對(duì)邊界層擾動(dòng)最大。

圖14 不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)動(dòng)葉進(jìn)口徑向速度沿葉高分布

為了分析導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)對(duì)輪緣密封間隙射流流動(dòng)形態(tài)的影響,給出了4種不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)下導(dǎo)流段出口處的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),如圖15所示。由圖15可知:冷氣流在轉(zhuǎn)盤泵送的作用下,沿著轉(zhuǎn)盤上升,通過輪緣密封導(dǎo)流段以射流形態(tài)進(jìn)入透平動(dòng)葉通道;使用直縫型導(dǎo)流段時(shí),射流透過輪緣密封間隙獲得較大的徑向速度,因此會(huì)較大排擠上游的主流氣流;受到主流氣流的壓迫,輪緣密封間隙射流在導(dǎo)流段出口形成較大的渦旋結(jié)構(gòu);受到導(dǎo)流段的軸向引導(dǎo)作用,射流通過導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)徑向速度較小,因此對(duì)上游主流氣流的排擠程度不如直縫型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)明顯;由于氣流獲得了軸向速度,射流通過導(dǎo)流段后更好貼附在動(dòng)葉前緣端壁處,并未有明顯的渦旋結(jié)構(gòu);采用圓型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)氣流貼附程度最佳。

(a)直縫型導(dǎo)流段 (b)橢圓型導(dǎo)流段

(c)雙曲型導(dǎo)流段 (d)圓型導(dǎo)流段圖15 不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)導(dǎo)流段出口流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

總壓損失系數(shù)是渦輪級(jí)氣動(dòng)性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo),反映了渦輪級(jí)氣動(dòng)損失的大小?？紤]冷氣流攜帶的能量,定義參考進(jìn)口總壓、總壓損失系數(shù)

(2)

(3)

式中:Pref為進(jìn)口參考總壓;P0為主流進(jìn)口總壓;mmain為主流進(jìn)口質(zhì)量流量;P0,seal為冷氣流進(jìn)口總壓;mseal為冷氣流質(zhì)量流量;Plocal為當(dāng)?shù)乜倝?Pout為出口靜壓。

4種不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)動(dòng)葉出口總壓損失的分布云圖如圖16所示。由圖16可知:在動(dòng)葉出口處,由于通道渦以及尾跡脫落渦的影響,形成了高損失區(qū)域,其中以下部通道渦所造成的損失區(qū)域最為明顯;采用直縫型導(dǎo)流段時(shí),通道渦所造成的高損失區(qū)最強(qiáng),尾跡脫落的影響最為明顯;當(dāng)采用橢圓、雙曲及圓型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí),通道渦所造成的損失區(qū)均有所減弱,尾跡脫落所造成的損失有所改善,圓型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)射流對(duì)主流所造成的氣動(dòng)損失最小。采用圓型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí),射流在間隙導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)作用下,在密封間隙出口處徑向速度減小而切向速度、軸向速度有所增加。徑向速度的減小可減輕射流對(duì)動(dòng)葉前緣邊界層的擾動(dòng),從而減小動(dòng)葉前緣邊界層的分離,有利于抑制通道渦的形成;切向速度增加可使氣流在進(jìn)入動(dòng)葉通道時(shí)的負(fù)攻角減弱,并可減弱動(dòng)葉通道中的橫向流動(dòng),抑制了通道渦的發(fā)展;軸向速度的增加可使氣流更好地貼附壁面,減小了氣流對(duì)前緣邊界層的擾動(dòng)。因此,圓型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)下輪緣密封射流與主流相互作用對(duì)渦輪級(jí)氣動(dòng)性能的影響最小。

(a)直縫型導(dǎo)流段 (b)橢圓型導(dǎo)流段

(c)雙曲型導(dǎo)流段 (d)圓型導(dǎo)流段圖16 不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)動(dòng)葉出口總壓損失云圖

為了衡量輪緣密封射流對(duì)主流性能的影響,將封嚴(yán)冷氣進(jìn)口視為一個(gè)進(jìn)口,兼顧間隙射流潛在的做功能力,定義渦輪級(jí)效率

(4)

式中:Tq為扭矩;ω為轉(zhuǎn)速;T0為主流進(jìn)口總溫;T0,seal為冷氣進(jìn)口總溫;cp為定壓熱容;P0,out為出口總壓;P0,in為主流進(jìn)口總壓。

4種不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)渦輪級(jí)效率的對(duì)比如圖17所示。相比于直縫型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu),相同的冷氣流量下采用圓型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu),可使渦輪級(jí)相對(duì)效率提高約為0.23%。

圖17 不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)級(jí)效率對(duì)比

2.2 導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)葉端壁冷卻特性影響

為了分析輪緣密封射流對(duì)下游動(dòng)葉端壁冷卻特性的影響,定義氣膜冷卻效率

(5)

式中:Th為主流進(jìn)口溫度;Tc為冷卻氣流進(jìn)口溫度;T為當(dāng)?shù)販囟取?/p>

4種不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)動(dòng)葉端壁面氣膜冷卻效率的分布云圖如圖18所示。由圖18可知,采用直縫型導(dǎo)流段時(shí)端壁面氣膜冷卻效率較低,而采用其余3種導(dǎo)流結(jié)構(gòu)時(shí),端壁面的氣膜冷卻效率有所提高。這是因?yàn)椴捎弥笨p型導(dǎo)流段時(shí),冷氣在導(dǎo)流段出口具有較大的徑向速度,因此冷氣無法很好地貼附在端壁處,同時(shí)徑向速度大,冷氣與主流的摻混加強(qiáng),冷氣易被加熱從而降低了冷卻效率;采用其余3種結(jié)構(gòu)時(shí),冷氣在導(dǎo)流段出口處的徑向速度較小,出流冷氣的貼附性較好,冷氣與主流的摻混相應(yīng)減弱,因此具有較好的端壁冷卻性能。

(a)直縫型導(dǎo)流段 (b)橢圓型導(dǎo)流段

(c)雙曲型導(dǎo)流段 (d)圓型導(dǎo)流段圖18 不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)動(dòng)葉端壁氣膜冷卻效率分布

圖19 不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)動(dòng)葉端壁周向平均氣膜冷卻效率沿軸向分布

為了進(jìn)一步分析導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)葉端壁氣膜冷卻效率的影響,給出了4種不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)時(shí)周向平均氣膜冷卻效率沿軸向的分布,如圖19所示。由于不同導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)下,輪緣密封間隙射流的冷氣均實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)葉前緣上游端壁的有效冷卻,因此在x/Cax≤0的位置區(qū)域冷卻效果都比較理想,冷卻效率值均在0.6以上。隨著冷氣流逐漸被卷入通道渦而抬離下端壁,氣膜冷卻效率急劇下降,在0.2≤x/Cax≤1的位置區(qū)域,冷卻效率急劇下降到0.4以下。這是因?yàn)槭芡ǖ罍u的影響,動(dòng)葉通道下游絕大部分區(qū)域并沒有得到良好的氣膜保護(hù),冷卻效率下降最大的位置位于冷氣在橫向壓差作用下被卷入通道渦中的位置,即0≤x/Cax≤0.2時(shí)。綜上所述,在動(dòng)葉前緣冷卻性能最優(yōu)的導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)為圓型結(jié)構(gòu),其后依次為雙曲型、橢圓型,直縫型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)的冷卻性能最低。在0≤x/Cax≤0.2時(shí)的位置,圓型結(jié)構(gòu)的冷卻效率值均在0.6以上,直縫型結(jié)構(gòu)的冷卻效率為0.4～0.6。與氣動(dòng)性能分析結(jié)果類似,4種導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)中,圓型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)端壁氣膜冷卻效果。

3 結(jié) 論

本文選用軸向輪緣密封為研究對(duì)象,建立了全三維計(jì)算模型,通過求解RANS方程組與SST湍流模型,數(shù)值研究了輪緣密封間隙導(dǎo)流段幾何結(jié)構(gòu)對(duì)渦輪級(jí)氣動(dòng)及冷卻性能的影響,得到如下結(jié)論。

(1)對(duì)比分析4種導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)對(duì)渦輪級(jí)氣動(dòng)性能的影響,采用直縫型導(dǎo)流段時(shí),通道渦所造成的高損失區(qū)最強(qiáng),尾跡脫落的影響最為明顯。在圓型、橢圓型以及雙曲型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)中,由于渦輪盤中的冷氣受到導(dǎo)流段導(dǎo)流作用,徑向速度比直縫間隙結(jié)構(gòu)下有所減小而軸向速度有所增加,氣流穿透效果減弱,因此整體氣動(dòng)性能提高,其中圓型導(dǎo)流段的氣動(dòng)性能最佳。相比于直縫型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu),相同冷氣流量下采用圓型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu),可使渦輪級(jí)效率提高約為0.23%。在實(shí)際二次空氣系統(tǒng)中,輪緣間隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),可考慮選用圓型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)以減小冷氣射流對(duì)主流的擾動(dòng),從而提高整機(jī)的氣動(dòng)效率。

(2)分析了4種導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)葉下端壁氣膜冷卻效率的分布規(guī)律,結(jié)果表明,當(dāng)采用直縫型導(dǎo)流段時(shí),間隙射流徑向速度大,冷氣與主流的摻混加強(qiáng),端壁冷卻效率較低,而采用其他3種結(jié)構(gòu)時(shí),端壁的氣膜冷卻效率比直縫間隙結(jié)構(gòu)時(shí)有所提高。與氣動(dòng)性能分析結(jié)果類似,在4種導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)中,圓型導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)提供了最優(yōu)端壁氣膜冷卻效果。