叶顶凹槽肋条对涡轮转子叶尖泄漏流场的影响

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轴流压气机转子叶顶凹槽及其改进结构研究

ｓｏａｕｍｅｃｌｓｍｕｌｔｏｓｃｎｃｅｎａａｉｌｃｍｐｒｓｏｒｎｄｔｅｃｍｐｕａｉｎｌｐｒｏｍａｅｍａｅｏｄａｒｅｉｎｌｎｉｒａｉａｉｎｉｏｄｕｔｄｏｘａｏｅｓ，ａｈｏｔｔｏａｅｒｎｃｋｓａｇｏｇｅｍｅｎｔｆｔｗｉｈ
ＷＡＮＧｅ，ＷｉＣＨＵｕ－ｉＺＨＡＮＧｏｇａｇ，ｎＷｌ，Ｈａ — ｕｎＭＩＰａ
（ｏｔｗｓｒｏｙｅｎｃｌｎｅｓｙＸ ’ｎ７０７，ｈｎ）ＮｒｅｔｎＰｌｅｈｉｉｒｔ，ｉａ０２ＣｉａｈｅｔａＵｖｉ１
ｔｓｅｕｔ．Ｂｓｄｏｉｎｍｅｃｌｄｌｈｌｄｑｅｌｒｔｎｔｉｒｖｄｓｒｃｕｅ — ｂａｅｌｂｒｎｈｔｓｎｍｅｃｌｅｔｓｌｒｓａｅｎｔｓｕｒａｈｉｍｏｅｅｂａｅｓｕａｅｐａｄｉｍｐｏｅｔｕｔｒｔｉｓｌｄｙ ห้องสมุดไป่ตู้ ｉｉｕｒａｌａｉｐｉｙｓｕｉｄ，ａｄｗｏｅｆｌｗｎｏｃｕｉｎ：Ａｔｏｇｌｄｑｅｌｒｔｅｕｅｈａａｅｆｗｍａｓｈｆｃｅｃｎｔｄｅｎｅｃｍｅｔｔｏｌｉｇｃｎｌｓｓｌｕｈｂａｅｓｕａｅｉｒｄｃｓｔｅｌｋｇｏｓ，ｔｅｅｉｎｙａｄｏｈｏｏｈｐｅｌｉｓａｌｍａｇｎａｅｄｃｉｅｔｌｒｉｅｌｄ，ｂｃｕｅｔｅｂａｅｔｅｋｇｏｖｓｆｒａｄｔｅｄｎｄｅａｏｇｔｅｔｎｎｅｅａｔｎｏｄｒｎｅａｓｈｌｄｉｌａａｅｆｗｍｏｅｗｒｏｌａｉｇｅｇｎａｋｕｄｒｔｃｉｆ－ｐｌｏｌｈｈｏａｖｒｅｐｅｓｒａｉｎｆｃｓｅｓｒｓｕｅｇｄｅｔｆｔ，ｗｈｃｋｓｔｅｌａａｅｒｆｘｒｔｎｒａｅｒｅｅｉｈｍａｅｈｅｋｇｅｕａｅｉｃｅｓｄ，ａｄＳｈｅｏｄｒｏｏｓａｄｔｅｄｇｅｆｌｎＯｔｅｓｃｎａｙｆｗｌｓｎｈｅｅｏｌｒ

不同叶顶结构的间隙流场及对涡轮性能的影响

ｌｎｆｌｕｅｎｃｅｆＴｉｐＣｌｅａｒａｎｃｅＦｌｏｗｏｆＤｉｆｆｅｒｅｎｔＢｌａｄｅＴｉｐＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｎＴｕｒｂｉｎｅＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
摘要：为了给涡轮叶顶结构的选择提供参考，采用数值方法和标准一方程湍流模型，分别研究了带冠和不带冠涡轮叶顶间隙泄漏流动状况及其对涡轮气动性能的影响，同时考虑不同间隙高度的影响。结果表明：不带冠涡轮的叶顶间隙流动是由近叶顶横向压差驱动，且在不同间隙下泄漏涡和通道涡的发展规律并不一样；而带冠涡轮的间隙流动是由上下游压差驱动，且泄漏流与主流
掺混损失是泄漏损失主要组成部分。带冠涡轮叶顶间隙泄漏损失要小于不带冠涡轮的。
关键词：涡轮；间隙泄漏；掺混损失；叶冠；航空发动机；流场
中图分类号：Ｖ２３１．３文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．１３４７７８．ｃｎｋｉ．ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ．２０１５．０６．０１４
ｉｓｄｒｉｖｅｎｂｙｔｈｅｌａｔｅｒａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｎｅａｒｔｈｅｔｉｐｆｏｒｕｎｓｈｒｏｕｄｅｄｔｕｒｂｉｎｅｔｉｐ．Ｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇａｐｈｅｉｇｈｔｓ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｌａｗｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｌｅａｋａｇｅ

叶顶凹槽肋条对涡轮转子叶尖泄漏流场的影响

水是黄土地区路基产生病害的主要原用，应加大夯击能量。
点，满夯前必须补夯，应有组织按顺序进行别是施工时排水做不好，ห้องสมุดไป่ตู้道路路基和基底３质量保证措施
夯击，并进行详细的施工记录，避免偏夯、
（重型标准）达到９３％以上。２．５回填土施工
止积水和积水下渗。
和解决。
（３）掌握天气变化情况，利用晴好天气，
（５）加强监督和检查，严格定岗、定
设专人检查验收，如现场土样的含水量、锤（６）在执行上述措施的同时，施工还
漏夯。
会在雨水作用下产生各种病害，特另Ｕ是在湿
（１）严格制定工艺流程：对每项工程
陷性黄土地区，排水对工程质量是至关重都组织人员制定详细的工艺流程，制定后
（７）夯击标准。强夯后地基平均沉降量要的。及时调整、应把排水作为保证工程质量的主要通过现场试验路段信息的反馈，
整区、碾压区、检验区，采用流水线作业。回过，距居民区较近时，应设置隔振沟或采取其它隔振措施。
落距、每点的夯击次数等。（４）强夯施工前应查明场区有无管线通重、

叶顶间隙对转子流场的影响

浙江理工大学本科毕业设计（论文）开题报告NASA转子37定常流场数值模拟张颖艳机械设计制造及其自动化06（2）班B063601041选题的背景与意义压气机的叶顶存在着叶顶间隙。

间隙内的流动非常复杂，它作为叶片顶部区域的主要流动现象，对压气机的系统性能和稳定性具有显著的影响。

因此，对它的研究一直是叶轮机械气动研究领域的热点问题之一。

1.1背景与意义叶轮机械的气动性能和效率取决于通流部分的能量损失。

叶顶间隙流作为叶片顶部区域的主要流动现象，它和压气机的性能和稳定性密切相关。

压气机内部流场存在任何一点压力，密度，速度都不随时间变化的定常流动和任何一点压力，密度，速度有一个随时间变化的非定常流动（也叫时变流动）。

叶轮机械内部流场的研究，其目的是采取有效的措施，减小叶栅的气动损失，改善叶轮的力学性能，从而推动叶轮机械的发展[1]。

面对理论和实验方法的困难，数值模拟方法成为较为完整地提供流场信息的主要研究途径。

数值模拟是以电子计算机为手段，通过模型建立，条件设定和图像显示的方法，将现实问题转化为虚拟模型的现代研究手段。

目前，研究人员普遍运用CFD软件对压气机内部流场进行数值模拟分析。

通过数值分析能更真实地反映实验难以确定的流场特性，变工况特性等因素造成的影响。

所以，先进的高性能叶轮机械设计对流场数值模拟的依赖性也越来越大。

1.2国内外研究现状和发展趋势叶顶间隙流作为叶片顶部区域的主要流动现象，它和压气机的性能和稳定性密切相关。

自20世纪50年代以来，压气机叶顶间隙流的研究一直都备受叶轮机械气动研究领域的关注。

1.2.1国内研究现状对于压气机叶顶间隙流的研究，早些时候就有很多人研究。

而近几年，由于信息技术和计算手段的不断发展，国内越来越多的研究人员参与到该领域的研究中，取得的成果备受关注。

在叶顶间隙对压气机性能方面的研究，刘长胜，刘瑞涛，秦国良，孙玉山等人对两个不同的半开始离心压气机叶轮进行不同间隙下的三维粘性流场分析。

叶尖凹槽对某燃气涡轮叶尖间隙流动影响的研究

Case A1 79.68 +0.09% 3.720 +0.03% 0.45 71.8 0.49
Case A2 79.68 +0.10% 3.720 0.03% 0.45 71.7 0.49
Case A3 79.68 +0.08% 3.718 0.05% 0.45 71.7 0.49
中图分类号：V231.3
文献标识码：A
文章编号：1672-545X（2019）03-0013-05
航空发动机的发展对涡轮部件提出了更高的载荷和效率要求，小展弦比涡轮叶片在涡轮设计中得到了越来越多的应用。端区损失是小展弦比叶片气动损失的主要来源[1]。对不带冠的涡轮转子，由于叶盆面与叶背面的压力梯度存在，叶尖形成泄漏流并与主流掺混形成泄漏涡产生损失。Booth 等[2]研究发现不带冠涡轮转子叶尖泄漏损失约占转子气动损失的 45%、整级气动损失的 30%以上。因此，如何控制并减小叶尖泄漏损失是当前涡轮气动研究的前沿重点方向。Denton 等[3]发现叶尖泄漏损失与叶尖间隙、叶尖速度及叶尖载荷呈正比例关系。据此关系，科研人员发现叶尖造型可以有效减小泄漏流，提高涡轮效率。其中 Morphins 和 Bindon 研究发现吸力面肋条对降低射流系数，控制叶尖泄漏效果最好；Harvey 和 Ramsden 研究发现叶尖加小翼可以使叶尖泄漏损失降低 31%，效率提高 1.2% ~ 1.8%[1，4，5]；Hourmouziadis 和 Albrecht 的研究表明叶尖凹槽并不会带来收益；杨佃亮、丰镇平研究发现凹槽叶尖不仅可以通过增强间隙内部掺混显著降低泄漏流量和动量[6]，并减小泄漏流与主流的夹角，在现代航空发动机高压涡轮中得到广泛应用，某发动机叶片实物见图 1。

不同叶顶结构对燃气透平动叶顶部气膜冷却性能的影响

构的叶顶进行数值计算：带有圆孔的平顶叶片、凹槽
顶叶片及带有开槽气膜孔的平顶叶片。对于凹槽结构的叶顶，槽深取２４ｍ２．２ｍ，％叶高，肩壁厚度取为０７ｍ对于开槽气膜孔的平顶叶片，．７ｍ，槽深取为２５．
ｍ槽宽度取为３ｍ。ｍ，ａｒ
到一倍孔径的浅槽，最佳槽深在０７．５倍的孔径。
的热负荷，容易造成叶顶的局部烧蚀，因此必须采取有效的冷却措施保护叶顶，气膜冷却是航空发动而机高温部件上广泛采用的有效冷却保护技术之一。
平顶和凹槽顶是动叶叶顶最常采用的两种结
的叶顶区域，研究不同叶顶结构的冷却性能的优劣。
弦长为８．ｍ由于流动的周期性，６１ｍ，计算时仅采用
顶处的换热系数降低。Ｗｎ等人首先采用实验ａｇ
的方法对开槽气膜孔内的流场分布进行了研究，发现开槽能显著提高气膜出流的均匀性，并找到了最佳槽深在２ —２８倍的孔径范围内。Ｅｋｄ等．ｋａ
个流动通道，叶片栅距为９．ｍ叶顶间隙固定１５ｍ，为１９ｍ１５．７ｍ（．％叶高）。本文分别对三种不同结
一
人【 ’ Ｂｇｒ等人对开槽气膜孔展开了详细６ｏａ一和ｄ的研究，他们发现开槽能提高气膜冷却效率，同时也
会增加换热系数，是总的热流比是减小的，于不但对
Ｚａｇ等人提出了一种新型的双侧开槽气膜孔结ｈｎ
收稿日期：０９— ９— ６２００１基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（编号：０７Ｂ１１７．２０Ｃ２００）作者简介：章大海（９８一）男，１７，山东枣庄人，讲师，博士，主要从事燃气轮机热端部件的冷却技术研究。

叶顶凹槽对燃气透平动叶气动性能及叶顶传热的影响

０７，１０，１３，ｎ．，ｗｅｅｃｎｉｅｅ．Ｔｈｅｕｔｓｏｔａ，ｂｏａｉｎｗｉ．．Ｈ．％ａｄ１６ｒｏｓｒｄｄｅｒｓｌｈｗｈｔｙｃｍｐｒｏｔｓｓｈ
ｔｅｆａｉｈｌｔｔｐ，ｔｅｓｕａｅｉａｅｕｅｔｅｂａｅｔｅｋｇｌｗｎｎｒａｅｔｅｂａｅａｒｄ — ｈｑｅｌｒｔｃｎｒｄｃｈｌｄｉｌａａｅｆｏａｄｉｃｅｓｈｌｄｅｏｙｐｐｎｍｉｆｉｉｎｙｓｅｉｌｙｉｈａｅｏａｇａ．Ｍｏｅｖｒｈｅｔｌａｆｔｅｓｕａｅｉａｃｅｆｃｅｃ，ｅｐｃａｌｔｅｃｓｆｌｒｅｇｐｎｒｏｅ，ｔｅｈａｏｄｏｈｑｅｌｒｔｐｄｃｅｓｓｆｒｔｅｓａｌａｉｃｅｓｓｆｒｔｅｌｒｅｇｐｅｒａｅｏｈｍｌｇｐｗｈｌｉｒａｅｏｈａｇａ．ｅｎＫｅｗｏｄ：ｇｓｔｒｉｅｉａａｅｑｅｌｒｔ；ａｒｄｎｍｉｅｆｒａｃ；ｔｅｔｔａｓｅｙｒｓａｕｂｎ；ｔＬｅｋｇ；ｓｕａｅｉｐｐｅｏｙａｃｐｒｏｍｎｅｉｈａｒｎｆｒｐ
降低叶顶的泄漏流量，小泄漏损失，减尤其在大间隙时更为明显；小间隙时采用凹槽叶顶可以降在低叶顶热负荷，而在大间隙时，凹槽叶顸的热负荷反而高于平叶顶的热负荷．

叶顶凹槽对燃气透平动叶气动性能及叶顶传热的影响

均Ｎ— Ｓ方程，流模型采用标准肛湍流模型，湍总体求解精度为二阶．算叶型为一个典型现代燃气轮机动计叶片，叶顶凹槽深度取３相对叶高，虑了５种不同叶顶间隙的影响．果显示：凹槽内存在复杂的流动考结在结构，对平顶部动叶，相凹槽能够显著降低叶顶泄漏流量，小泄漏损失，减尤其在大间隙时更为明显；小间在
李源潮代表中共中央讲话，高度评价和充分肯定了“ 他中国青年科技奖” 国家人才战略中的重要作用，在并对
获奖的青年科技人员提出了报效祖国的殷切希望．会议由中国科协常务副主席邓楠主持．
中国青年科技奖是由中组部、人事部、中国科协共同设立，面向４０岁以下、从事自然科学和交叉科学的青年科技工作者，两年评选一次，每每届获奖人数不超过１０名．０第十届中国青年科技奖候选人涉及全国３１个省区市和新疆生产建设兵团、中央和国家机关各部门、国务院各直属单位，以及解放军总政治部和１１个１全国学会等３２个推荐单位，２共推荐有效候选人为６８名，由１８位院士组成的第十届中国青年科技奖评４经６
届中国青年科技奖” 奖大会，颁我校电信学院郑庆华教授、能动学院何茂刚教授获得中国青年科技奖荣誉称
号并受到表彰．颁奖大组织部部长、中央人才工作协调小组组长

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叶顶凹槽肋条对涡轮转子叶尖泄漏
流场的影响
随着工业化和科技的不断发展，涡轮机作为一种重要的能量转换器，在能源、航空、船舶、发电等领域得到了广泛应用。

然而，由于涡轮叶尖处的泄漏，使得涡轮机效率降低、热量损失增加、叶轮表面热应力增大等问题日益凸显。

因此，研究涡轮叶尖泄漏的机理和控制方法已经成为涡轮机研究领域的一项重要研究内容。

叶顶凹槽肋条是一种常用的叶尖泄漏控制方法。

在涡轮转子叶尖区域，尤其是高压涡轮上，通常会设置一些凹槽和肋条，以破坏涡流的旋转结构，消耗能量，降低泄漏质量流率。

研究表明，叶顶凹槽肋条的设计和优化对于降低叶尖泄漏和提高涡轮机效率具有重要的影响。

本文将从以下几个方面介绍叶顶凹槽肋条对涡轮转子叶尖泄漏流场的影响：
一、叶顶凹槽肋条的作用机理
叶顶凹槽和肋条的作用机理主要有两个方面：一是能量损失；二是涡流结构的破坏和调整。

在高压涡轮中，常用的凹槽和肋条数目及尺寸的设计原则是，使得涡流在尽量短的路径上沿着凹槽或肋条产生旋涡流，从而消耗涡流动能，减小涡流动能对叶尖的影响。

此外，凹槽和肋条能够生成明显的横向涡，
抑制轴向涡的产生，并从而调整涡流结构，减小涡流的高速区域，改变流场的动态特性，从而减小泄漏流量的大小。

二、叶顶凹槽肋条的设计原则
在涡轮叶尖凹槽和肋条的设计中，需要考虑以下几个方面：
1、凹槽和肋条的尺寸要与轮毂半径和楔形量匹配，以使涡流在其上产生对轮毂的阻挡作用，降低叶尖泄漏流速。

2、凹槽和肋条的宽度和深度对于流场的影响较大，通常是通过试验和数值模拟的方式进行优化。

3、凹槽和肋条的数量和间距需要平衡阻挡涡流的作用和阻挡流量增加的作用。

三、叶顶凹槽肋条对涡轮叶尖泄漏的影响
研究表明，合理的叶顶凹槽和肋条设计可以有效地减小涡流尾迹的width和depth，从而减少叶尖泄漏的流体引起的磨损和热应力，提高涡轮机的效率。

在一些研究中，增加叶顶凹槽和肋条的数量和减小凹槽和肋条间距，对于涡轮机的性能提高和叶片表面的温度分布影响不大，而对于泄漏流的作用较大。

四、未来研究方向
未来的研究方向包括优化叶顶凹槽和肋条的设计，结合数值模拟和实验方法，优化泄漏量和涡轮机的效率，尤其是在热工况下涡轮机的性能提高。

另外，还需要研究涡轮叶尖泄漏对流场的影响及其对叶轮表面热应力、磨损和寿命的影响。

结语：
综上所述，叶顶凹槽肋条是一种有效的涡轮叶尖泄漏控制方法，对于提高涡轮机效率和减少叶轮表面热应力具有重要的影响。

同时，改善叶尖泄漏的控制技术，可进一步优化系统热力性能和寿命，有望推动涡轮机技术的发展和应用。