涡轮可调导叶端壁泄漏损失控制方法及流动特性研究

【摘要】燃气轮机具有功率密度大、启动速度快等优点,广泛应用于航空、舰船、车辆和发电等领域。涡轮是燃气轮机核心部件之一,变几何涡轮技术可以提高燃气轮机的启动特性、加速特性、制动特性以及变工况性能,目前已得到广泛应用。调节涡轮导叶角度是一种有效的变几何方法,为了保证涡轮导叶可以转动,导叶两端与机匣和轮毂壁面要留有间隙,从而引起泄漏损失。针对这一问题,本文开展涡轮可调导叶端壁泄漏损失控制方法及流动特性研究,主要工作内容及结果如下：(1)对带有可调导叶的三转子燃气轮机涡轮特性进行数值模拟,分析动力涡轮导叶角度变化对三转子燃气轮机涡轮性能的影响,并对动力涡轮导叶角度与工况进行优化匹配。结果表明：可以通过改变动力涡轮导叶角度来调节涡轮流量、各级功率和膨胀比的分配；导叶角度变化对各级入口气流角和能量损失产生一定影响；此外,在不同工况下,存在一个较优的导叶角度使涡轮的效率最高。(2)对涡轮可调导叶端壁泄漏损失控制方法进行研究。在导叶两端分别增加一个圆盘(分别称为机匣圆盘和轮毂圆盘),将机匣圆盘嵌入到机匣内,轮毂圆盘嵌入到轮毂内,同时将涡轮导向器附近的机匣面和轮毂面采用同心球面设计,机匣圆盘下表面与机匣面为共球面,轮毂圆盘上表面与轮毂面为共球面,可调导叶的旋转轴过球心,这样可以保证导叶转动时流道保持不变且间隙最小,从而减小可调导叶端壁泄漏损失。增大导叶端壁圆盘直径和减小导叶端壁径向间隙t可以减小导叶端壁间隙,降低泄漏损失。(3)对涡轮可调导叶不同端壁结构流动特性进行研究。结果表明：导叶端壁为无间隙时,导叶正攻角较大,在导叶前缘形成复杂的分离区,导叶前缘轮毂面上形成两个鞍点、两条分离线和一条再附线。导叶端壁为部分间隙时,导叶端壁共产生四股泄漏流,导叶通道内的涡系结构发生改变,导叶前缘轮毂面上形成一个鞍点,马蹄涡强度减弱。导叶端壁为全间隙时,在导叶两端壁分别产生一股很强的泄漏流,导叶前缘轮毂面的鞍点消失,导叶端壁间隙泄漏涡占主导地位。导叶轮毂和机匣圆盘直径、导叶径向间隙t以及导叶角度变化对导叶和动叶的二次流结构都产生明显影响。(4)对涡轮可调导叶进行气热耦合分析。结果表明：导叶端壁结构变化对导叶叶片温度分布影响较小,但是对动叶叶片温度分布影响较大。与导叶端壁无间隙情况对比,导叶端壁为部分间隙时,动叶叶片表面温度变化较小；导叶端壁为全间隙时,动叶叶片表面温度明显提高。减小导叶轮毂和机匣圆盘直径,导叶端壁间隙增大,动叶叶片表面温度随之增加。导叶端壁为部分间隙时,导叶端壁径向间隙t变化对动叶叶片表面的温度分布影响较小；导叶端壁为全间隙时,动叶叶片表面的温度随径向间隙t增加明显升高；在三种端壁结构中,导叶角度增大,动叶叶片表面温度都出现升高的现象,且导叶端壁无间隙时动叶温度变化最大,其次是部分间隙,全间隙时动叶温度变化最小。
【作者】潘波；
【导师】谭春青；赵洪雷；
【作者基本信息】中国科学院研究生院（工程热物理研究所），动力机械及工程，2013，博士
【关键词】涡轮；可调导叶；泄漏损失；流动特性；

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