高压涡轮转静轮缘封严流动机理及结构优化设计研究

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航空发动机高压涡轮紧邻燃烧室,工作时主流通道内充满着高温高压燃气。涡轮盘腔相对于主流道材料耐热性较低且无特殊冷却结构,燃气入侵会导致轮盘过热而造成损伤。为阻止该状况发生,一般从冷端部件抽取冷却气体通过轮缘密封来阻止主流燃气入侵盘腔,但过多的冷却气体与主流发生掺混又会降低涡轮级的工作效率。因此,为保证涡轮级运行中的工作效率,对于轮毂端区冷热气流相互作用的研究显得尤为重要。为了阐明轮缘封严流与主流非定常相互作用机制、影响动叶下游轮缘转静间隙流动各因素权重、前后封严流与主流的相互作用以及对于下游静叶的影响,研究中将前后腔封严流量与第二列静叶前缘势场当作变量,分析了盘腔封严机理、封严效率与主流道压力、流场变化;改进原“压差法”端壁造型方法,将封严腔出口至动叶前缘与通道内轮毂端壁进行统一造型,对比分析了造型前后涡轮气动性能以及封严效率的变化。得到以下结论:(1)前封严腔出口位置气流受上游静叶影响较大;由于静叶与动叶相对位置变化燃气入侵与封严出流呈现较强的非定常特性,变化周期与动叶的运动周期保持一致;封严出流与主流掺混形成的涡结构对上游流场造成堵塞,改变了动叶前缘马蹄涡滞止点位置,增强了动叶前缘马蹄涡压力面分支。(2)前腔封严流量的增加使得动叶吸力面与下游静叶吸力面间封严出流减弱,后封严腔内气流受下游静叶前缘势场影响较大,下游静叶前缘势场抑制了动盘旋转效应造成的盘腔气流不均匀分布,增强了叶片尾缘和后密封腔内的非定常压力波动。后腔不施加封严流时,出口以燃气入侵为主,入侵位置主要集中于受下游静叶前缘势场影响的高压区;施加封严流量后,主流燃气入侵减弱,封严流从下游静叶吸力面上游的低压区进入主流道。(3)针对于轮缘密封流影响后的轮毂静压非轴对称端壁造型减弱了封严流对于主流通道的堵塞作用,增加了流道内质量流量;周向正弦型的端壁使得轮毂角涡发展影响了尾缘位置涡轮气流的膨胀加速,造成额外的气动损失,合理控制端壁造型幅值能够实现涡轮级工作效率的提升。
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