黃鏡瑋，付維亮，馬國駿，王國杰，高杰,2,3，*

1.哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱 150001 2.重慶大學(xué) 動(dòng)力工程及工程熱物理博士后科研流動(dòng)站，重慶 401120 3.重慶江增船舶重工有限公司博士后科研工作站，重慶 402263

為防止高溫高壓的主流燃?xì)馔ㄟ^輪緣間隙入侵盤腔后導(dǎo)致輪盤溫度過高而影響整機(jī)的安全穩(wěn)定性，通常向渦輪輪緣密封間隙中通入冷卻氣體來阻止入侵并冷卻輪盤，而通過輪緣密封間隙泄漏的封嚴(yán)冷氣在與主流相互作用后可對(duì)渦輪級(jí)氣動(dòng)性能產(chǎn)生較為明顯的負(fù)面影響[1-2]。因此開展輪緣密封間隙處燃?xì)馊肭?、封?yán)流與主流摻混流動(dòng)機(jī)理的相關(guān)研究工作具有重要意義。

在燃?xì)馊肭峙c封嚴(yán)效率方面，研究者們?cè)缙诠ぷ鞔蠖嚓P(guān)注于燃?xì)馊肭帜Ｐ偷慕⑴c最小封嚴(yán)冷氣量的確定。Owen[3-4]提出了燃?xì)馊肭值?種機(jī)制，并使用孔板流量模型來預(yù)測(cè)最小封嚴(yán)冷氣量、計(jì)算封嚴(yán)效率。Sangan等[5-6]根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果總結(jié)出了渦輪動(dòng)葉前后簡單徑向輪緣密封腔室和動(dòng)葉前雙重輪緣密封腔室內(nèi)的燃?xì)馊肭峙c出流的流動(dòng)圖譜。馬宏偉[7]、張靈俊[8]、Eastwood[9]、Horwood[10]等使用激光多普勒測(cè)速儀(LDV)、瞬態(tài)壓力測(cè)量和CO2示蹤氣體法實(shí)驗(yàn)研究了輪緣密封腔室內(nèi)的非定常流場(chǎng)細(xì)節(jié)。隨著數(shù)值計(jì)算手段的發(fā)展，目前研究者們更側(cè)重于使用較高精度的算法并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果來分析輪緣密封間隙內(nèi)固有的非定常不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象。Gao等[11-13]使用大渦模擬(LES)手段并結(jié)合快速傅里葉變換(FFT)與互相關(guān)分析法預(yù)測(cè)了輪緣密封間隙內(nèi)與葉片數(shù)量及轉(zhuǎn)子固有頻率無關(guān)的大尺度不穩(wěn)定流動(dòng)渦結(jié)構(gòu)的數(shù)量，并指出慣性波也是促使不穩(wěn)定渦結(jié)構(gòu)生成的誘因。高杰等[14]使用LES手段研究了1.5 級(jí)渦輪典型軸向、徑向、斜向輪緣密封結(jié)構(gòu)因旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)入侵而產(chǎn)生的大尺度渦結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，得出簡單斜向密封結(jié)構(gòu)具有較好封嚴(yán)效率的結(jié)論。在對(duì)單一輪緣密封腔室內(nèi)的流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行深入探究的同時(shí)，科研工作者們已經(jīng)開始關(guān)注真實(shí)工作條件下受其他路徑冷氣影響的輪緣密封間流動(dòng)干擾特性，Scobie等[15]在1.5級(jí)渦輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)上研究了動(dòng)葉下游輪緣密封腔室對(duì)上游封嚴(yán)出流的再吸入及遺留特性，初步探討了前腔出流重新入侵到后腔的非定常過程，并發(fā)現(xiàn)再吸入流動(dòng)對(duì)增強(qiáng)下游腔室的密封性能有所幫助。Patinios等[16]使用實(shí)驗(yàn)手段針對(duì)其他路徑的封嚴(yán)冷氣可能會(huì)通過渦輪運(yùn)行時(shí)級(jí)間產(chǎn)生的縫隙泄漏至輪緣密封腔室內(nèi)的情況，研究了盤腔高半徑位置的泄漏量對(duì)腔室封嚴(yán)性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)泄漏量增加到一定程度時(shí)，腔室內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闇u流形，高半徑處的封嚴(yán)效率會(huì)顯著降低。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中為保證密封效果往往會(huì)向輪緣密封結(jié)構(gòu)中通入過量的冷氣，目前研究主要考慮了封嚴(yán)冷氣在動(dòng)葉上游輪緣密封腔室內(nèi)以及封嚴(yán)出流在上游導(dǎo)葉出口、下游轉(zhuǎn)子通道內(nèi)的流動(dòng)損失特性，對(duì)真實(shí)工作環(huán)境中動(dòng)葉上游不同輪緣密封結(jié)構(gòu)腔室出流冷氣對(duì)下游輪緣密封腔室內(nèi)的非定常流動(dòng)干擾、以及在上下游輪緣密封出流冷氣共同作用下的第2級(jí)靜葉通道的端區(qū)流動(dòng)損失特點(diǎn)方面還缺乏關(guān)注。因此，開展針對(duì)1.5 級(jí)渦輪不同輪緣密封結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)流與主流相互作用及輪緣密封間流動(dòng)干擾特性的研究對(duì)于改善發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能與經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以動(dòng)葉上游輪緣密封結(jié)構(gòu)分別為簡單徑向與簡單斜向、下游輪緣密封結(jié)構(gòu)均為簡單軸向的1.5級(jí)渦輪為研究對(duì)象，通過非定常雷諾平均計(jì)算結(jié)果詳細(xì)對(duì)比了2種動(dòng)葉上游封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)出流對(duì)動(dòng)葉下游輪緣密封腔室的輪緣密封間流動(dòng)干擾特性以及1.5級(jí)渦輪端區(qū)流動(dòng)損失特性的影響。

1 數(shù)值模型和計(jì)算方法

1.1 數(shù)值模型及邊界條件

本文選取瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的LISA 1.5級(jí)渦輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)為研究對(duì)象，其具體的葉片幾何及氣動(dòng)參數(shù)詳見文獻(xiàn)[28]。并將動(dòng)葉上游輪緣密封結(jié)構(gòu)分別設(shè)置為簡單斜向與簡單徑向密封，動(dòng)葉下游輪緣密封結(jié)構(gòu)設(shè)置為簡單軸向密封，圖1為無封嚴(yán)腔體和上游密封結(jié)構(gòu)分別為斜向、徑向的 1.5 級(jí)渦輪子午流道圖，為便于下文描述，將圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)的結(jié)構(gòu)分別簡稱為Endwall、Chute和Radial結(jié)構(gòu)。圖2為3種典型密封結(jié)構(gòu)示意圖。為保證3種密封結(jié)構(gòu)具有可比性，軸向密封結(jié)構(gòu)的軸向間隙及其徑向?qū)挾染鶠? mm；徑向密封結(jié)構(gòu)的徑向間隙寬度以及間隙的軸向?qū)挾纫步詾? mm；對(duì)于斜向密封結(jié)構(gòu)，其傾斜角為沿軸向逆時(shí)針偏離20°，垂直于流向的間隙高度、沿流向的間隙寬度均為2 mm。

圖1 上游為斜向、徑向密封的1.5級(jí)渦輪子午流道圖

圖2 3種典型輪緣密封結(jié)構(gòu)示意圖

主流進(jìn)口湍流度為1%，并給定總溫總壓，出口給定平均靜壓，具體數(shù)值及分布與文獻(xiàn)[28]相同；由于不考慮傳熱問題，冷氣進(jìn)口總溫與主流總溫均為328 K，冷氣流量比(IR)定義為封嚴(yán)流與主流流量之比，本文每個(gè)冷氣進(jìn)口IR=0.4%；主流與冷氣工質(zhì)均為理想氣體、垂直進(jìn)氣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 700 r/min，壁面為絕熱、光滑、無滑移。

1.2 計(jì)算方法及網(wǎng)格劃分

本文使用商業(yè)軟件ANSYS-CFX求解三維URANS(Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方程組，根據(jù)文獻(xiàn)[29]的湍流模型驗(yàn)證結(jié)果選用k-εShear Stress Transport(SST)湍流模型。對(duì)流項(xiàng)為高精度離散格式，瞬態(tài)項(xiàng)為二階向后歐拉法。并采用附加變量法[30]模擬實(shí)驗(yàn)中CO2示蹤氣體分布情況，在主流進(jìn)口處附加變量濃度設(shè)置為0，在每個(gè)冷氣進(jìn)口處濃度設(shè)置為1，封嚴(yán)效率εc定義為

(1)

式中：c為當(dāng)?shù)馗郊幼兞繚舛?；ca為主流進(jìn)口附加變量濃度；c0為冷氣進(jìn)口附加變量濃度。當(dāng)不存在燃?xì)馊肭謺r(shí)，εc的值為1。

如圖1所示，第1級(jí)靜葉(S1)與第2級(jí)靜葉(S2)設(shè)置為靜止域，第1級(jí)動(dòng)葉(R1)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域。并根據(jù)文獻(xiàn)[31]，轉(zhuǎn)靜交界面設(shè)置在封嚴(yán)腔出口上游側(cè)，靠靜葉側(cè)盤腔設(shè)置為靜止壁面，靠動(dòng)葉側(cè)盤腔設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)壁面。為節(jié)省計(jì)算資源并滿足非定常計(jì)算中節(jié)距比1：1的要求，將1.5級(jí)渦輪葉片數(shù)由36：54：36簡化為2：3：2，即第1級(jí)導(dǎo)葉與第2級(jí)靜葉為2個(gè)計(jì)算通道，第1級(jí)動(dòng)葉為3個(gè)計(jì)算通道。基于非定常時(shí)間步敏感性驗(yàn)證，本文時(shí)間步長設(shè)置為3.43×10-6s，即一個(gè)動(dòng)葉通道內(nèi)對(duì)應(yīng)120個(gè)物理時(shí)間步，每一個(gè)物理時(shí)間步對(duì)應(yīng)5個(gè)虛擬時(shí)間步。非定常計(jì)算殘差設(shè)置為10-6，監(jiān)測(cè)點(diǎn)關(guān)鍵參數(shù)呈現(xiàn)出隨時(shí)間周期性變化保持2個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期以上時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。在本文計(jì)算中作者發(fā)現(xiàn)Radial結(jié)構(gòu)的動(dòng)葉下游輪緣密封腔室近靜盤頂部位置的封嚴(yán)效率收斂最為困難，因此圖3給出了Radial結(jié)構(gòu)的動(dòng)葉后腔近靜盤頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的封嚴(yán)效率收斂曲線，監(jiān)測(cè)點(diǎn)周向位置處于計(jì)算扇段中央處，沿軸向距靜盤為 0.5 mm，沿徑向距靜盤頂部為2 mm，由圖3可知封嚴(yán)效率歷時(shí)約50個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期時(shí)可認(rèn)為收斂，并在隨后大約5個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)輸出時(shí)均值數(shù)據(jù)。

圖3 Radial結(jié)構(gòu)下游腔室封嚴(yán)效率收斂曲線

1.5級(jí)渦輪的計(jì)算網(wǎng)格如圖4所示，3種典型密封結(jié)構(gòu)的計(jì)算網(wǎng)格如圖5所示。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后的1.5級(jí)渦輪網(wǎng)格總數(shù)約為550萬，每種典型密封結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)約為50萬，在端壁及葉片表面處加密，同時(shí)為降低插值計(jì)算誤差，輪緣密封網(wǎng)格與主流區(qū)網(wǎng)格在周向及軸向上完全匹配，第1級(jí)動(dòng)葉的葉頂間隙為葉高的1%。本文模型近壁面第1層網(wǎng)格距離設(shè)為0.001 mm，1.5級(jí)渦輪模型的y+云圖如圖6所示，由圖可知計(jì)算模型總體y+均<3，且除葉片前、尾緣附近部分區(qū)域外，端壁及輪緣密封腔室的y+均<1，能夠較好地滿足k-ωSST湍流模型對(duì)y+的要求。

圖4 1.5級(jí)渦輪計(jì)算網(wǎng)格示意圖

圖5 3種典型密封結(jié)構(gòu)網(wǎng)格示意圖

圖6 1.5級(jí)渦輪計(jì)算模型y+云圖

1.3 數(shù)值方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所選用數(shù)值方法的可行性，圖7～圖9依次給出了Endwall結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[28]實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比的S1時(shí)均出口絕對(duì)氣流角、R1時(shí)均出口總壓損失系數(shù)與S2時(shí)均出口絕對(duì)氣流角沿徑向分布情況。R1時(shí)均出口總壓損失系數(shù)定義為

(2)

式中：Pt,in_R1為轉(zhuǎn)子進(jìn)口總壓；Pt,out_R1為轉(zhuǎn)子出口總壓；Ps,out_R1為轉(zhuǎn)子出口靜壓。

觀察圖7～圖9可知S1、S2時(shí)均出口氣流角的最大誤差分別位于約10%與70%葉高處，與實(shí)驗(yàn)的差值分別約為2.4%和2.9%

圖7中S1時(shí)均出口氣流角的最大誤差位于10%葉高處，約為2.4%；因動(dòng)葉域中封嚴(yán)出流與主流的相互作用主要發(fā)生在半葉高范圍內(nèi)[21,27]，幾乎不受近葉頂區(qū)域流動(dòng)的影響，由圖8可知除葉頂區(qū)域外R1出口總壓損失系數(shù)時(shí)均值的最大誤差位于20%葉高處，約為5.6%；圖9中S2出口絕對(duì)氣流角最大誤差位于70%葉高處，約為2.9%。LISA渦輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)帶有導(dǎo)流段較長的輪緣密封腔，而本文選取的與實(shí)驗(yàn)相對(duì)比的Endwall模型為不帶密封腔的平端壁結(jié)構(gòu)，因此可認(rèn)為在低葉高位置出現(xiàn)的相應(yīng)誤差主要與此有關(guān)，另外誤差也受實(shí)驗(yàn)件加工精度、本文使用的非定常數(shù)值方法如計(jì)算模型中葉片表面少數(shù)部分的網(wǎng)格y+不全小于1等因素影響。但從總體上來看圖7～圖9數(shù)值模擬結(jié)果中的輪轂區(qū)域氣流偏轉(zhuǎn)以及損失變化的徑向位置與實(shí)驗(yàn)較為一致，因此據(jù)上述分析可以認(rèn)為本文采用的數(shù)值方法能夠較為準(zhǔn)確地模擬1.5級(jí)渦輪內(nèi)的流動(dòng)損失情況。

圖7 S1出口絕對(duì)氣流角徑向分布

圖8 R1出口總壓損失系數(shù)徑向分布

圖9 S2出口絕對(duì)氣流角徑向分布

2 結(jié)果與討論

2.1 不同輪緣結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)出流對(duì)第1級(jí)靜葉的影響

圖10給出了Endwall、Chute、Radial這3種結(jié)構(gòu)的第1級(jí)靜葉5%和50%葉高處葉片表面的非定常時(shí)均靜壓系數(shù)Cps_S1的分布，無量綱靜壓系數(shù)定義為

(3)

式中：Pt0_S1為S1進(jìn)口時(shí)均總壓；Ps1_S1為S1出口時(shí)均靜壓；P為當(dāng)?shù)貢r(shí)均靜壓。為方便區(qū)分及敘述，下文中Cps_R1與Cps_S2分別代表R1和S2的非定常時(shí)均靜壓系數(shù)值，計(jì)算方法與Cps_S1類似。

由圖10可知，5%葉高位置處Chute與Radial的整體載荷分布情況較為一致，但二者吸力面的載荷變化情況則與Endwall結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。吸力面靜壓系數(shù)時(shí)均值從60%軸向弦長處開始降低，并在約70%～90%軸向弦長位置處，有封嚴(yán)腔結(jié)構(gòu)的靜壓系數(shù)逐漸小于無封嚴(yán)腔結(jié)構(gòu)，且最大差值發(fā)生在82%軸向弦長處，約為0.02。在50%葉高位置處，3種結(jié)構(gòu)吸、壓力面的靜壓系數(shù)分布情況基本相同。由上述比較可以看出，封嚴(yán)出流的影響主要位于S1葉根處的吸力面?zhèn)龋涠氯饔檬菇簿壧幬γ娴妮d荷增大，輪緣密封結(jié)構(gòu)的變化對(duì)吸力面載荷的影響則不明顯。

圖10 S1葉片表面靜壓系數(shù)分布

為進(jìn)一步了解斜向、徑向2種輪緣密封結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)出流對(duì)S1葉根處流動(dòng)影響的區(qū)別，圖11給出了S1出口5%葉高位置的周向Cps_S1分布曲線圖。圖中周向靜壓系數(shù)最小值處對(duì)應(yīng)著尾跡的位置，能夠發(fā)現(xiàn)相對(duì)于Endwall結(jié)構(gòu)，封嚴(yán)流使周向靜壓系數(shù)的最大值增加約0.01，最小值降低約0.07，明顯增加了尾跡位置的壓力，并使周向壓力的最值位置向轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生偏移。另外，對(duì)比觀察Chute與Radial結(jié)構(gòu)的曲線可知二者區(qū)別并不明顯，Radial的出口周向壓力整體上略大于Chute結(jié)構(gòu)，最大差值在尾跡處，約為0.01。

圖12為3種結(jié)構(gòu)S1出口非定常時(shí)均熵增(ΔS)的徑向分布，由圖可知在半葉高范圍內(nèi)無封嚴(yán)腔體結(jié)構(gòu)的時(shí)均熵增值均大于其他2種帶封嚴(yán)腔體結(jié)構(gòu)，并且在2%～4%和6%～15%葉高處差距較為明顯，最大差值約13%，位于約10%葉高處；而2種有封嚴(yán)腔體結(jié)構(gòu)的熵增分布較為一致，Radial比Chute結(jié)構(gòu)的熵增稍小，其最大差值發(fā)生在約10%葉高處，約為2%。結(jié)合圖11、圖12可知，封嚴(yán)冷氣的堵塞作用能夠改變出口周向壓力分布情況，增加吸力面尾緣的壓力梯度，抑制氣流的加速膨脹，進(jìn)而減小損失；徑向密封結(jié)構(gòu)的堵塞作用，相對(duì)斜向密封稍強(qiáng)，但差別不大。

圖11 S1出口5%葉高位置周向靜壓系數(shù)曲線圖

圖12 S1出口熵增徑向分布

2.2 不同輪緣結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)出流對(duì)動(dòng)葉的影響

2.2.1 動(dòng)葉進(jìn)口

圖13為動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)氣流角沿徑向分布情況，由圖可知相對(duì)于Endwall結(jié)構(gòu)，封嚴(yán)出流降低了整個(gè)葉高的動(dòng)葉進(jìn)口氣流角，其中5%葉高范圍內(nèi)氣流角的減小情況最為明顯，端壁處Chute和Radial結(jié)構(gòu)與Endwall結(jié)構(gòu)氣流角的差值最大且分別為18°和24°，而且葉根處氣流角最大值的徑向位置由2%葉高上升至5%葉高處。上述氣流角變化情況與由封嚴(yán)出流堵塞作用引起的主流速度的變化有關(guān)，其中輪轂附近的氣流周向速度受封嚴(yán)出流的摻混影響而顯著降低，而通道內(nèi)其他高度的氣流速度則因輪轂區(qū)域封嚴(yán)出流的堵塞作用而增加，因此相比于無封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，帶封嚴(yán)結(jié)構(gòu)全葉高的相對(duì)氣流角有所減小，這與Schrewe等[22]的觀點(diǎn)較為一致；且由于封嚴(yán)氣流的堵塞作用對(duì)輪轂處氣流速度的降低情況最為顯著，導(dǎo)致了Chute與Radial結(jié)構(gòu)最大氣流角的徑向位置相對(duì)上升。同時(shí)對(duì)比Chute、Radial結(jié)構(gòu)的氣流角變化情況能夠發(fā)現(xiàn)，輪緣密封結(jié)構(gòu)變化對(duì)氣流角造成的影響主要位于25%葉高范圍內(nèi)，其中Radial結(jié)構(gòu)的氣流角相對(duì)更小，氣流角最大值的差距約為3°，徑向位置略有上升，在25%葉高至葉頂處2種結(jié)構(gòu)的氣流角分布情況則基本一致，這說明Radial結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)出流在輪轂附近造成的堵塞作用較強(qiáng)，也與2.1節(jié)中的相關(guān)分析相符。由上述分析可知封嚴(yán)出流可降低整個(gè)葉高范圍內(nèi)的進(jìn)口相對(duì)氣流角，從而增加動(dòng)葉攻角，且徑向封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)流可使25%葉高范圍內(nèi)的氣流產(chǎn)生更大的偏轉(zhuǎn)。

圖13 動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)氣流角徑向分布

圖14給出了3種結(jié)構(gòu)T0時(shí)刻動(dòng)葉進(jìn)口三維旋渦結(jié)構(gòu)示意圖，渦結(jié)構(gòu)使用λ2準(zhǔn)則識(shí)別，并使用軸向渦量著色。由圖14(a)可知在沒有上游輪緣密封腔室時(shí)，前緣及通道處無較多渦結(jié)構(gòu)，僅存在著明顯的馬蹄渦壓力面分支與馬蹄渦吸力面分支；對(duì)比觀察圖14(b)和圖14(c)能夠發(fā)現(xiàn)，在輪緣密封腔室出口、動(dòng)葉前緣附近以及動(dòng)葉通道中存在著其他正渦量與負(fù)渦量結(jié)構(gòu)，且Radial結(jié)構(gòu)的旋渦數(shù)量更多，分布范圍更廣，對(duì)動(dòng)葉進(jìn)口及通道的影響更大。其中正渦量結(jié)構(gòu)為周向動(dòng)量不同的出流冷氣與主流因黏性剪切作用而產(chǎn)生的剪切誘導(dǎo)渦(Shear Induced Vortex，SIV)；負(fù)渦量結(jié)構(gòu)為輪緣密封腔室中因轉(zhuǎn)靜盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的與徑向方向相反的渦結(jié)構(gòu)在脫落進(jìn)入主流后形成的腔體誘導(dǎo)渦(Cavity Induced Vortex，CIV)。SIV因其數(shù)量較多從而能夠向下游發(fā)展成為通道渦，CIV則因數(shù)量較少、渦量值較低而在動(dòng)葉通道中很快耗散。

圖14 動(dòng)葉進(jìn)口渦系分布

2.2.2 動(dòng)葉通道

圖15為3種結(jié)構(gòu)在動(dòng)葉5%和30%葉高位置處的葉片表面時(shí)均靜壓系數(shù)Cps_R1分布情況。觀察圖15(a)能夠發(fā)現(xiàn)相對(duì)于Endwall結(jié)構(gòu)，封嚴(yán)氣流增加了葉片整個(gè)吸力面的負(fù)荷，降低了葉片壓力面前70%軸向弦長范圍內(nèi)的負(fù)荷，其中對(duì)葉片吸力面影響更大。吸力面前緣處Chute和Radial結(jié)構(gòu)的靜壓系數(shù)分別降低了0.14和0.2；壓力面?zhèn)?3%軸向弦長處Chute和Radial結(jié)構(gòu)的靜壓系數(shù)分別增加了0.07和0.03；另外，在壓力面的前緣處，Chute結(jié)構(gòu)的負(fù)荷比Endwall結(jié)構(gòu)略大。

由圖15(b)可知?jiǎng)尤~30%葉高位置受到封嚴(yán)出流的影響相對(duì)較小，3種結(jié)構(gòu)的葉片壓力面負(fù)荷幾乎沒有區(qū)別，在前緣至吸力面13%軸向弦長處、吸力面45%～80%軸向弦長范圍內(nèi)的葉片負(fù)荷有所增加，但幅度不大，Chute結(jié)構(gòu)與Radial結(jié)構(gòu)的差距可以忽略。據(jù)上述分析可知，封嚴(yán)出流對(duì)動(dòng)葉負(fù)荷的影響位于30%葉高范圍內(nèi)，且在葉根處最為明顯；其具體表現(xiàn)為大幅增加整個(gè)吸力面的負(fù)荷，小幅降低壓力面前半部分的負(fù)荷，葉根處Radial結(jié)構(gòu)的葉片負(fù)荷大于Chute結(jié)構(gòu)。

圖15 R1葉片表面靜壓系數(shù)分布

為了解斜向、徑向2種密封結(jié)構(gòu)封嚴(yán)出流在動(dòng)葉通道中與主流渦系交互的細(xì)節(jié)與區(qū)別，圖16中展示了3種結(jié)構(gòu)動(dòng)葉通道40%、60%和80%軸向弦長位置的時(shí)均軸向渦量云圖。能夠發(fā)現(xiàn)3種結(jié)構(gòu)動(dòng)葉葉頂區(qū)域的渦量分布差別極小，而30%葉高以下區(qū)域流動(dòng)差別較為明顯。圖中正渦量1為動(dòng)葉通道渦，負(fù)渦量2-1為流入動(dòng)葉通道的上游靜葉通道渦，正渦量2-2為流入動(dòng)葉通道的上游靜葉尾緣脫落渦。由圖16(a)可知在40%軸向弦長位置處Endwall結(jié)構(gòu)的渦量1和渦量2-1位于10%葉高以內(nèi)，渦量2-2的渦核位于15%～23%葉高處；而Chute結(jié)構(gòu)與Radial結(jié)構(gòu)的渦量1沿徑向擴(kuò)張至10%～20%葉高范圍內(nèi)，渦量2-1、2-2的區(qū)域明顯減小，這是因?yàn)閳D14中的正渦量SIV在動(dòng)葉通道中與渦量1匯集，使動(dòng)葉通道渦尺度增大，沿徑向擴(kuò)張的同時(shí)，將靜葉通道渦和尾緣脫落渦擠壓至吸力面?zhèn)炔⑹蛊鋸?qiáng)度明顯減小。另外，相比于Chute結(jié)構(gòu)，Radial結(jié)構(gòu)各通道中渦量1的尺度明顯不一致，這說明了徑向密封結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)出流對(duì)主流干擾較大，增強(qiáng)了動(dòng)葉通道中端區(qū)流動(dòng)的不穩(wěn)定性。

繼續(xù)觀察圖16(b)、圖16(c)能夠發(fā)現(xiàn)，隨著流動(dòng)發(fā)展至80%軸向弦長處，Endwall結(jié)構(gòu)的渦量1沿徑向擴(kuò)張至約21%葉高處并主要匯集于葉片吸力面?zhèn)龋瑴u量2-1、2-2的強(qiáng)度大幅減小，尤其是渦量2-1，已經(jīng)接近于完全耗散。

圖16 動(dòng)葉通道軸向渦量云圖

而受封嚴(yán)出流的影響，Chute與Radial結(jié)構(gòu)的渦量2-1在60%軸向弦長處就已完全耗散，并且在80%軸向弦長位置，2種結(jié)構(gòu)渦量1的范圍均達(dá)到25%葉高位置，渦量2-2也已接近于完全耗散。但Chute結(jié)構(gòu)渦量1在20%葉高以下位置沿周向幾乎占滿整個(gè)通道，而Radial結(jié)構(gòu)渦量1周向尺度稍小，并且各通道中流動(dòng)不完全一致。

2.2.3 動(dòng)葉出口

圖17為3種結(jié)構(gòu)動(dòng)葉出口時(shí)均軸向渦量云圖，可以看出3種結(jié)構(gòu)葉頂區(qū)域流動(dòng)情況較為一致，50%葉高內(nèi)的渦量分布情況卻有所不同。圖中位于30%葉高內(nèi)的正、負(fù)渦量區(qū)域分別為動(dòng)葉通道渦(PV)與誘導(dǎo)渦(IV)，30%～50%葉高區(qū)域的負(fù)渦量結(jié)構(gòu)為尾緣脫落渦(TSV)。相比于Endwall結(jié)構(gòu)，封嚴(yán)出流使3種渦結(jié)構(gòu)的徑向、周向尺度均有較為明顯的增加。同時(shí)對(duì)比觀察Chute與Radial結(jié)構(gòu)的渦量云圖能夠發(fā)現(xiàn)，Chute結(jié)構(gòu)的通道渦尺度在10%葉高范圍內(nèi)更大，在10%～30%葉高內(nèi)則小于Radial結(jié)構(gòu)；而二者的IV與TSV尺度較為相似，無明顯差距。

圖17 動(dòng)葉出口軸向渦量云圖

另外，結(jié)合圖18的動(dòng)葉出口時(shí)均熵增沿徑向分布曲線圖，能發(fā)現(xiàn)沿葉高的損失變化與上述渦量分布情況較為一致，相對(duì)于Endwall結(jié)構(gòu)，封嚴(yán)出流顯著增大了60%葉高內(nèi)的流動(dòng)損失，熵增最大差值約為32%，發(fā)生在Radial結(jié)構(gòu)的22%葉高位置。在14%葉高內(nèi)Chute結(jié)構(gòu)的熵增比Radial略大，且平均增大約0.7%；在14%～32%葉高范圍內(nèi)，Radial結(jié)構(gòu)的熵增則明顯高于Chute結(jié)構(gòu)，最大差值位于22%葉高處，約為15%；從32%葉高處起，因動(dòng)葉上游輪緣密封結(jié)構(gòu)不同而造成的流動(dòng)差異則基本消失。

圖18 動(dòng)葉出口熵增沿徑向分布

2.3 不同輪緣結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)出流對(duì)輪緣密封間流動(dòng)干擾的影響

圖19為Chute和Radial 這2種結(jié)構(gòu)動(dòng)葉下游輪緣密封腔室出口位置徑向速度在T0、T1、T2、T3這4個(gè)不同時(shí)刻以及時(shí)均分布情況，當(dāng)徑向速度小于0時(shí)表示燃?xì)馊肭?，大?時(shí)表示封嚴(yán)出流。對(duì)比觀察圖19(b)和圖19(c)可知2種結(jié)構(gòu)下游腔室的出口徑向速度時(shí)均值以及4個(gè)不同時(shí)刻的瞬時(shí)分布情況區(qū)別較小，均存在2個(gè)位置、大小較為相似的燃?xì)馊肭謪^(qū)域，因此可以判斷上游輪緣密封結(jié)構(gòu)的變化對(duì)下游輪緣密封出口腔室處的入侵出流區(qū)域分布影響不大。

圖19 下游輪緣密封出口徑向速度云圖

圖20為Chute結(jié)構(gòu)與Radial結(jié)構(gòu)動(dòng)葉下游簡單軸向輪緣密封腔室周向4個(gè)不同子午面的流線圖，背景為時(shí)均封嚴(yán)效率云圖，因輪緣密封計(jì)算扇面模型為20°，4個(gè)子午面的周向位置即依次為0°、5°、10°和15°。

結(jié)合圖19可知，圖20中子午面1與3為封嚴(yán)出流區(qū)域，子午面2和4對(duì)應(yīng)著燃?xì)馊肭謪^(qū)域。觀察4個(gè)子午面的封嚴(yán)效率云圖能夠發(fā)現(xiàn)，Chute結(jié)構(gòu)子午面1和3的靜盤側(cè)、子午面2和4的動(dòng)盤側(cè)封嚴(yán)效率要明顯大于Radial結(jié)構(gòu)。繼續(xù)對(duì)比腔室出口區(qū)域的流線分布可知2種結(jié)構(gòu)4個(gè)子午面腔室出口處的流動(dòng)狀態(tài)大致相同，腔室出口下游端壁處邊界層均會(huì)增厚，但子午面1和3中的封嚴(yán)出流可導(dǎo)致在腔室出口下游端壁處產(chǎn)生尺度相似的壁面渦。同時(shí)對(duì)比觀察密封間隙及腔室內(nèi)的流線能夠發(fā)現(xiàn)，位于封嚴(yán)出流區(qū)域的子午面1和3的流動(dòng)狀況大致相同，僅Radial結(jié)構(gòu)在靜盤側(cè)頂部角落更易生成尺度很小的壁角渦；而2種結(jié)構(gòu)代表燃?xì)馊肭謪^(qū)域的子午面2與4的流動(dòng)狀態(tài)差異較大，Chute結(jié)構(gòu)盤腔中近動(dòng)盤側(cè)的渦核徑向位置相對(duì)更高，在子午面4處與間隙位置的回流區(qū)相交，其靜盤側(cè)的回流區(qū)渦核徑向位置相對(duì)較低，并不像Radial結(jié)構(gòu)一樣位于靜盤側(cè)頂部角落?？梢娪缮嫌屋喚壝芊饨Y(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的輪緣間流動(dòng)干擾在燃?xì)馊肭治恢玫谋P腔內(nèi)較為明顯。

圖20 下游輪緣腔室內(nèi)不同子午面流線圖

為進(jìn)一步了解輪緣密封間流動(dòng)干擾對(duì)下游輪緣密封固有的不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)的影響，圖21給出了使用FFT獲得的輪緣密封間隙3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)壓力的頻率特性，其中橫坐標(biāo)使用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率fbld進(jìn)行無量綱化。3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的周向位置處于圖20中的子午面3上；軸向位置均位于間隙中央；徑向位置分別位于間隙出口、間隙中心以及近盤腔頂部處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、C與監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的徑向高度差值均為2 mm。由圖可知2種結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B處的主頻均位于f/fbld=1.01處，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)C處的主頻位于f/fbld=2.99處，約為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率的3倍，且Radial結(jié)構(gòu)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主頻幅值均較大。由Gao等[13]的研究結(jié)果可知，圖中f/fbld<1范圍中的低頻信號(hào)為由K-H不穩(wěn)定性及慣性波導(dǎo)致的輪緣密封間隙中固有的非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)，其中Chute結(jié)構(gòu)的低頻脈動(dòng)并不明顯，主要發(fā)生在f/fbld<0.1范圍內(nèi)，脈動(dòng)幅值小于10 Pa，且只觀察到了1處低頻脈動(dòng)情況；而Radial結(jié)構(gòu)的低頻脈動(dòng)情況則較為劇烈，在整個(gè)f/fbld<1范圍內(nèi)幾乎都有發(fā)生，其在監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的f/fbld=0.28處、監(jiān)測(cè)點(diǎn)B和C的f/fbld=0.71處具有最大的低頻脈動(dòng)幅值，且脈動(dòng)幅值在監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處最高，約為82 Pa。據(jù)上述分析可知因上游封嚴(yán)結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的輪緣間流動(dòng)干擾改變了低頻脈動(dòng)的特征頻率及幅值，對(duì)輪緣密封間隙處固有的不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生了顯著影響。

圖21 下游輪緣密封間隙不同位置壓力頻譜分布

2.4 不同輪緣結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)出流對(duì)第2級(jí)靜葉的影響

2.4.1 第2級(jí)靜葉進(jìn)口

為探究受上游輪緣密封結(jié)構(gòu)以及上、下游封嚴(yán)出流共同作用下S2進(jìn)口流動(dòng)的非定常不穩(wěn)定性，圖22給出了對(duì)S2進(jìn)口質(zhì)量平均靜壓進(jìn)行FFT得到的頻率特性圖。由圖可知進(jìn)口質(zhì)量平均壓力的波動(dòng)幅度在20 Pa以內(nèi)，波動(dòng)主要是由進(jìn)口區(qū)域的不穩(wěn)定流動(dòng)而引起的振蕩。能夠發(fā)現(xiàn)封嚴(yán)出流增強(qiáng)了主頻幅值，并使主頻的特征頻率略有提前，其中Chute結(jié)構(gòu)具有最大的主頻幅值。Radial結(jié)構(gòu)在f/fbld<1范圍內(nèi)出現(xiàn)大量的低頻脈動(dòng)，結(jié)合對(duì)圖21的分析結(jié)果，其低頻脈動(dòng)是由輪緣密封間隙中的不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)脫落入主流而引起的。另外，Endwall與Radial這2種結(jié)構(gòu)除低頻脈動(dòng)外的特征頻率分布位置和數(shù)量較為相似，Chute結(jié)構(gòu)特征頻率的數(shù)量最少。

圖22 S2入口壓力頻譜分布

同時(shí)為了解氣流在S2進(jìn)口處的偏轉(zhuǎn)情況，圖23 給出了3種結(jié)構(gòu)S2入口時(shí)均絕對(duì)氣流角沿徑向分布曲線。能夠發(fā)現(xiàn)Chute和Radial這2種結(jié)構(gòu)的氣流角曲線區(qū)別很小，但相對(duì)于Endwall結(jié)構(gòu)，上、下游封嚴(yán)出流的共同作用使S2進(jìn)口氣流角在60%葉高內(nèi)呈較明顯的過、欠偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。在5%～20%葉高區(qū)域內(nèi)氣流角減小，其中在10%葉高位置減小程度約為5%；在5%葉高以下和25%～60%葉高區(qū)域內(nèi)氣流角增大，在端壁處氣流角的增加程度可達(dá)到67.5%，并改變了20%葉高以上位置氣流角極值的徑向位置。進(jìn)口氣流角的變化可導(dǎo)致正、負(fù)攻角的形成，攻角變化在端壁區(qū)域最為明顯。

圖23 S2入口絕對(duì)氣流角徑向分布

2.4.2 第2級(jí)靜葉通道

圖24展示了3種結(jié)構(gòu)的S2下端壁極限流線分布情況，由圖可知相對(duì)于Endwall結(jié)構(gòu)，燃?xì)馊肭峙c封嚴(yán)出流改變了Chute與Radial結(jié)構(gòu)前緣來流的均勻程度，使馬蹄渦吸力面分支附著相對(duì)提前，壓力面分支的附著相對(duì)延遲；同時(shí)葉片吸力面20%～60%軸向弦長區(qū)域內(nèi)的流線較為稀疏，葉片壓力面邊界層分離區(qū)域由原本的近尾緣處向前移動(dòng)至葉片喉部，葉片尾跡覆蓋區(qū)域也得到增強(qiáng)。另外，對(duì)比觀察Chute與Radial結(jié)構(gòu)的流線分布能夠發(fā)現(xiàn)Chute結(jié)構(gòu)的馬蹄渦壓力面分支在吸力面上附著的位置更為靠后，喉部的邊界層相對(duì)較薄，尾跡造成的干擾更強(qiáng)。

圖24 S2下端壁極限流線

為探究S2整個(gè)通道的葉片負(fù)荷變化情況，圖25 給出了3種結(jié)構(gòu)S2不同葉高位置表面時(shí)均靜壓系數(shù)分布。由圖可知在5%、10%葉高位置，封嚴(yán)出流對(duì)葉片吸力面前80%軸向弦長范圍內(nèi)的載荷分布影響較大，對(duì)葉片壓力面的影響則較弱，且僅限于葉片前緣。在5%葉高的吸力面?zhèn)?，除Radial結(jié)構(gòu)的40%～53%軸向弦長區(qū)域外，Radial與Chute結(jié)構(gòu)的吸力面載荷均大于Endwall結(jié)構(gòu)，且差距在吸力面前半部分更為明顯；在26%軸向弦長位置處Radial與Endwall結(jié)構(gòu)的靜壓系數(shù)差值最大，約為0.15；在葉片前緣位置Radial結(jié)構(gòu)的載荷略小于Chute結(jié)構(gòu)，在30%～60%軸向弦長范圍內(nèi)明顯大于Chute結(jié)構(gòu)，其靜壓系數(shù)最大差值約為0.08。

圖25 S2葉片表面靜壓系數(shù)分布

在10%葉高位置封嚴(yán)出流使葉片吸力面偏向于前加載，其中吸力面前緣至48%軸向弦長范圍內(nèi)的葉片載荷相對(duì)增大，使50%～80%軸向弦長范圍內(nèi)的載荷減小，在62%軸向弦長位置，Radial與Chute結(jié)構(gòu)的靜壓系數(shù)均比Endwall結(jié)構(gòu)大0.09；且Radial結(jié)構(gòu)的載荷總體上來說比Chute結(jié)構(gòu)稍大，但兩者靜壓系數(shù)差距并不明顯。與圖23中進(jìn)口氣流偏轉(zhuǎn)情況類似，封嚴(yán)氣流對(duì)葉片加載情況的影響同樣截止于60%葉高位置。

圖26展示了S2通道40%、60%和80%軸向弦長位置處的時(shí)均軸向渦量云圖，圖中靠近葉根處的負(fù)渦量為S2通道渦，其余下端區(qū)至葉頂處的正、負(fù)渦量分別與R1出口渦量分布相對(duì)應(yīng)。由圖可知Endwall結(jié)構(gòu)各軸向截面位置下端區(qū)的S2通道渦強(qiáng)度和流入S2通道的R1誘導(dǎo)渦、尾緣脫落渦強(qiáng)度均小于其他2種結(jié)構(gòu)，尤其在80%軸向弦長位置處，Endwall結(jié)構(gòu)S2通道中的R1尾緣脫落渦已接近于完全耗散。因此可推斷封嚴(yán)出流能夠增強(qiáng)S2通道渦的強(qiáng)度，減輕流入S2通道的上游動(dòng)葉渦結(jié)構(gòu)的耗散情況。進(jìn)一步對(duì)比觀察Chute與Radial這2種結(jié)構(gòu)的渦量變化情況能夠發(fā)現(xiàn)，Chute結(jié)構(gòu)的通道渦周向尺度相對(duì)較大，來自于上游動(dòng)葉的尾緣脫落渦占據(jù)的周向位置有所不同且耗散相對(duì)較快，在80%軸向截面處已不明顯。

圖26 S2通道各截面軸向渦量云圖

2.4.3 第2級(jí)靜葉出口

圖27為3種結(jié)構(gòu)S2出口時(shí)均絕對(duì)氣流角沿徑向分布曲線圖，由圖可知相對(duì)于Endwall結(jié)構(gòu)，上、下游封嚴(yán)出流的共同作用對(duì)95%葉高范圍內(nèi)的出口氣流角分布均產(chǎn)生了影響。封嚴(yán)出流改變了出口氣流角極值的徑向位置，并使45%葉高以上位置的出口氣流角減小，令25%～42%葉高范圍內(nèi)的出口氣流角增大，在25%葉高以內(nèi)區(qū)域的氣流角變化則較為復(fù)雜，說明在此范圍內(nèi)的流動(dòng)變化情況較為劇烈。同時(shí)對(duì)比Chute結(jié)構(gòu)與Radial結(jié)構(gòu)的出口氣流角分布情況能夠發(fā)現(xiàn)，其氣流角區(qū)別在65%葉高范圍內(nèi)較為明顯，在65%葉高至機(jī)匣處則比較一致，在不同葉高位置，兩者氣流偏轉(zhuǎn)的強(qiáng)度各不相同。

圖27 不同計(jì)算模型的S2出口絕對(duì)氣流角徑向分布

圖28為S2出口時(shí)均熵增云圖。由圖可知Endwall結(jié)構(gòu)的總體熵增相對(duì)較小，封嚴(yán)氣流增強(qiáng)了下端區(qū)通道渦、尾緣脫落渦的強(qiáng)度，并降低了上端區(qū)通道渦渦核的徑向位置。觀察Chute與Radial的熵增云圖可知，兩者的熵增分布差異主要在半葉高內(nèi)，Radial結(jié)構(gòu)的下端區(qū)通道渦、尾緣脫落渦的渦核尺度相對(duì)較大，但有更多的低熵增區(qū)域。

圖28 S2出口熵增云圖

為定量具體描述上下游輪緣密封出流冷氣對(duì)S2出口損失造成的影響,圖29給出了S2出口時(shí)均熵增沿徑向分布的曲線圖。由圖可知相對(duì)于Endwall結(jié)構(gòu),封嚴(yán)出流與主流的摻混使損失在80%葉高區(qū)域內(nèi)都有較為明顯的增大,其中在50%葉高以下,特別是5%～30%葉高范圍內(nèi)的損失增加情況最為明顯,此處正是出口通道渦所在的徑向位置;而且在Chute結(jié)構(gòu)的20%葉高位置處損失達(dá)到最大,相對(duì)Endwall結(jié)構(gòu)增加了約26%。繼續(xù)對(duì)比觀察Chute與Radial結(jié)構(gòu)的熵增曲線能夠發(fā)現(xiàn),Chute結(jié)構(gòu)13%葉高下的通道渦強(qiáng)度弱于Radial結(jié)構(gòu),但15%～30%葉高內(nèi)的通道渦強(qiáng)度相對(duì)更大;而在30%～50%葉高區(qū)域中,Radial結(jié)構(gòu)的尾緣脫落渦則相對(duì)更強(qiáng);在50%葉高以上位置,2種結(jié)構(gòu)的熵增曲線歸于一致,說明由上游輪緣密封結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的S2出口損失差異主要位于半葉高以內(nèi)。

圖29 S2出口熵增徑向分布

2.5 總體性能

表1給出了3種結(jié)構(gòu)的第1級(jí)和1.5級(jí)渦輪效率，根據(jù)文獻(xiàn)[32]，考慮封嚴(yán)冷氣的渦輪總比總效率公式為

(4)

式中：k為絕熱系數(shù)；n為冷氣進(jìn)口的最大數(shù)量;ω為轉(zhuǎn)速；M為轉(zhuǎn)子扭矩；mmain為主流質(zhì)量流量；cp為定壓比熱容；Tt,in為主流進(jìn)口總溫；Pt,ex為葉柵出口總壓；Pt,in為主流進(jìn)口總壓；Pt,cav為輪緣密封腔室進(jìn)口總壓。

由表1可知，封嚴(yán)出流與主流相互作用可對(duì)渦輪氣動(dòng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響，相對(duì)于Endwall結(jié)構(gòu)，在通入冷氣總量為IR=0.8%的工況下，Chute結(jié)構(gòu)與Radial結(jié)構(gòu)的第1級(jí)渦輪效率分別降低了0.52%和0.67%，兩者的1.5級(jí)渦輪效率分別降低了0.94%與1.11%。對(duì)比觀察Chute與Radial結(jié)構(gòu)的渦輪效率可知，相對(duì)于動(dòng)葉上游輪緣密封結(jié)構(gòu)為簡單斜向的情況，簡單徑向密封結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)出流使第1級(jí)渦輪氣動(dòng)損失增加了0.15%，并使前1.5級(jí)渦輪氣動(dòng)損失增加了0.17%。

表1 3種結(jié)構(gòu)第1級(jí)和1.5級(jí)渦輪效率

3 結(jié) 論

1)封嚴(yán)出流對(duì)第1級(jí)靜葉的出口流動(dòng)起堵塞作用，可降低第1級(jí)靜葉的出口損失；增加動(dòng)葉葉根處吸力面負(fù)荷、降低壓力面負(fù)荷，增強(qiáng)動(dòng)葉通道渦的徑向與周向尺度，增加動(dòng)葉出口60%葉高范圍內(nèi)的熵增；同時(shí)能夠增強(qiáng)第2級(jí)靜葉進(jìn)口處流動(dòng)的不穩(wěn)定性，使端壁處馬蹄渦壓力面分支延遲附著、吸力面邊界層向喉部遷移，葉片前部的負(fù)荷增大，并增強(qiáng)了通道渦及尾緣脫落渦的尺度，顯著增加了出口位置80%葉高范圍內(nèi)的流動(dòng)損失。當(dāng)通入封嚴(yán)冷氣總量為IR=0.8%時(shí)，1.5級(jí)渦輪的氣動(dòng)效率至少降低了0.94%。

2)相對(duì)于動(dòng)葉上游輪緣密封結(jié)構(gòu)為簡單斜向的情況，簡單徑向密封結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)出流對(duì)第1級(jí)靜葉的堵塞作用稍強(qiáng)；在動(dòng)葉中流動(dòng)的區(qū)別位于35%葉高范圍內(nèi)，體現(xiàn)在動(dòng)葉入口氣流的欠偏轉(zhuǎn)程度加強(qiáng)，葉根吸力面負(fù)荷增大，通道渦的總體強(qiáng)度增加等方面；在第2級(jí)靜葉中流動(dòng)的區(qū)別則位于65%葉高范圍內(nèi)，其進(jìn)口流動(dòng)的低頻擾動(dòng)更多，葉根部位吸力面載荷相對(duì)較小，尾緣脫落渦尺度更大但通道渦總體強(qiáng)度較弱；在渦輪總體性能方面，其使1.5級(jí)渦輪的氣動(dòng)損失額外增加了0.17%。

3)輪緣密封間的流動(dòng)干擾并沒有改變密封間隙出口的燃?xì)馊肭旨俺隽鲄^(qū)域的分布，其影響主要體現(xiàn)在封嚴(yán)效率、腔室內(nèi)回流渦的徑向位置以及輪緣密封間隙中固有的非定常流動(dòng)不穩(wěn)定性方面。相對(duì)于動(dòng)葉上游密封結(jié)構(gòu)為簡單斜向時(shí)的情況，上游密封結(jié)構(gòu)為簡單徑向時(shí)的下游輪緣密封腔室的封嚴(yán)效率相對(duì)較低，位于燃?xì)馊肭謪^(qū)域的靜盤側(cè)回流渦徑向位置偏高，動(dòng)盤側(cè)回流渦徑向位置偏低，且在輪緣密封間隙處出現(xiàn)大量的小于動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)頻率的低頻脈動(dòng)。