带冠气冷涡轮叶片间隙泄漏控制及气动损失机理研究

The issue of clearance leakage flows in shrouded turbine blades has become one of hot ones in the field of turbomachinery all over the world. Efficient control of clearance leakage flows can improve internal flow structure inside the turbine, reduce aerodynamic loss and increase turbine efficiency. Based on these objectives, clearance leakage flows and injection control over new types of shrouds will be investigated in this proposal. The mixing process of leakage flow, injection and main stream and physical features of flow field are about to be studied by using advanced flow field measuring technology,conventinal measuring and advanced numerical simulation methods. In addition, loss mechanism of mixing and injection seal mechanism will also be analysed. Physical characteristics of strong wall shear flows, transition between laminar and turbulent flows inside narrow spaces will be disclosed. Aerodynamic loss model for the mixing of leakage, injection and the main stream will be established. Effect of mixed leakage and main stream on various vortex structures in downstream stator passages will be obtained. Results obtained will be helpful to develop new types of shrouds and injection seal. These results will also help develop new control technology for clearance leakage flows for shrouded air-cooled turbine blades.

涡轮叶片间隙泄漏问题已成为国内外透平机械领域研究的热点问题之一。有效控制涡轮叶顶间隙泄漏流动能够改善涡轮机内部流场结构、减少气动损失、提高涡轮机整体效率。本项目以降低带冠涡轮叶片顶部间隙泄漏损失、提高涡轮气动效率为出发点，围绕新型翼型围带顶部间隙泄漏流动和喷气控制开展研究.应用先进的流场测量技术，辅以常规测量和先进的数值模拟技术，对泄漏流、喷气和主流掺混过程以及流场特性进行研究，对掺混气动损失机理和喷气密封机理进行研究。通过研究，揭示狭小空间内壁面强剪切流、层流与湍流相互转化流动的物理特性，建立泄漏流、喷气和主流掺混的气动损失模型，获得泄漏流体与主流掺混后对下游静叶通道中各种涡系的影响规律。研究结果能够为新型围带研发和喷气密封提供理论依据和技术支撑，促进带冠气冷涡轮叶片顶部间隙泄漏流动控制技术的发展。

涡轮动叶叶顶间隙泄漏流对动叶气动效率和输出功产生不利影响。为减小泄漏量及其相关气动损失，进而提高涡轮叶栅气动性能，本项目就全围带、新型翼型围带、喷气等不同间隙泄漏控制技术对涡轮叶栅气动性能的影响进行了一系列实验和数值研究以及理论分析。.首先，对有、无喷气带冠(全围带)涡轮叶栅气动性能进行了实验与数值研究。结果表明，全围带可消除泄漏涡在叶栅通道内部的生成与发展从而有效地降低了气动损失；0.3%主流流量喷气时，喷气能提高间隙附近的总压值，喷气流量增加，叶栅下游间隙附近流场更为均匀，但叶栅气动损失增加。.其次，提出了一种新型翼型围带叶顶间隙泄漏控制结构，围绕不同宽度、不同连接段的翼型围带，开展了叶栅气动性能的实验与数值计算研究。结果表明，1%叶高叶顶间隙下，相对于平顶叶栅，3mm宽小翼使总压损失降低11.36%，而3mm宽翼型围带可使总压损失降低20.89%，翼型围带宽度增加，对气动性能改善的效果并不明显，但翼型围带连接段位于叶栅通道中部位置时，要比位于上游和下游的气动性能优越。.基于翼型围带结构，进一步探讨了增设两个密封齿对叶栅性能的影响。结果表明，1.5%叶高叶顶间隙下，增设密封齿可使总压损失额外降低18.13%。.此外，对有、无密封齿翼型围带与叶顶喷气组合结构进行了实验与数值计算，在90度喷气角度下，引入叶顶喷气会降低叶栅气动性能，因而需要进一步对喷气方案进行优化。.最后，基于一1.5级涡轮，数值研究了叶顶结构对级性能的影响规律。结果表明，不同叶顶间隙下，全围带、全周小翼及翼型围带均可改善涡轮级机械效率。基于此涡轮环形动叶栅，研究了动叶旋转效应的影响。相对于静止叶栅，机匣相对转动和动叶旋转对泄漏损失的影响规律相似。这一结论为实验中应用机匣转动模拟动叶转动对间隙泄漏的影响以降低实验成本提供了一定理论指导。.本项目丰富的研究结果为涡轮动叶叶顶间隙泄漏控制技术应用和发展提供理论支撑。