涡轮动叶叶尖间隙泄漏特性与控制方法研究
转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移的动力学机制
转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移的动力学机制叶顶间隙泄漏流是涡轮机械中重要的流体力学问题之一。
随着离心压气机入口流速的提高和离心压气机叶片数的减少，叶尖间隙泄漏流的作用越来越显著，并对涡轮机械的性能和寿命造成了很大的影响。
其中，转子叶顶间隙对机械性能的影响尤其明显。
如何降低转子叶顶间隙泄漏流的流量，是提高涡轮机械性能的重要技术问题。
转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移是一种常见的现象。
研究表明，叶顶间隙泄漏流的轨迹前移是由于转子上游流动的虹吸效应引起的。
叶顶间隙泄漏流在进入转子时，会产生一个涡旋，这个涡旋会将气流紧贴转子转动，但在叶顶附近的马赫锥处，叶顶间隙泄漏流被涡旋中心的虹吸效应吸引并进入涡旋中心，从而导致轨迹前移。
虹吸效应可以描述为，当流体通过一个狭窄的通道（例如转子叶顶间隙）时，通道中的低压区域会吸引周围的高压区域中的流体，使其流入通道中。
在转子上游流动中，当气流经过马赫锥时，气压骤降，产生了一些低压区域。
在转子叶顶附近，叶顶间隙泄漏流所产生的涡旋中心与马赫锥低压区域相邻，因此叶顶间隙泄漏流就被涡旋中心的低压区域所吸引，形成虹吸效应并进入涡旋中心，从而导致轨迹前移。
同时，当叶顶间隙泄漏流进入涡旋中心后，会与旋转转子的流体受到离心力的作用，成为一定速度的流体，继续向下流动并与强制入口流体混合。
为了降低转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移和虹吸效应的影响，目前研究人员采取了多种策略。
其中最常见的策略是通过设计转子，使转子在运行时形成更稳定的涡旋，从而减少虹吸效应的产生。
另外一种策略是通过优化转子叶片形状，尽可能减小叶顶间隙大小，从而减少叶顶间隙泄漏流量。
总之，转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移是由虹吸效应导致的。
通过设计转子、优化叶片形状等措施，可以减少虹吸效应产生，降低叶顶间隙泄漏流的流量，提高涡轮机械性能和寿命。
PD000713 涡轮叶尖间隙计算实现方法与结果分析
建立有限元分析模型时 " 轮盘和机匣作为轴对 称问题处理 " 材料为各向同性 & 叶片按三维问题处 理 "材料按各向异性考虑 &仅分析叶片根部截面以上 的部分 " 将榫槽与榫头简化并一同放入轮盘的结构 中 % 其他计算条件及有限元模型可参见文献#$% %
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发动机涡轮部件封严技术研究
发动机涡轮部件封严技术研究摘要：本文从涡轮部件的角度对航空发动机封严技术、目前的发展水平和未来的发展趋势进行了论述，同时结合目前发动机采用的封严技术以及存在的问题进行了说明。
若要进一步减少发动机燃油消耗，增大推力，不但要对先进的封严技术进行研究，还需对常规的看似成熟的封严技术进行更详细的研究，夯实基础。
关键词：航空发动机涡轮封严叶尖封严涂层蜂窝1绪论当代典型航空燃气涡轮发动机，其涡轮流道是一条环形通道，燃气压力和温度沿轴向发生极其剧烈的变化。
虽然气体流动过程是连续的，但是进入涡轮的燃气压力和温度，从前到后是递减的。
每个工作叶片排或静子叶片排都有一个压力差。
此外，涡轮各零组件之间，特别是转动件和静子件之间又不可避免地要留有间隙，燃气流体泄漏必然发生，不仅给发动机性能带来损失，而且恶化了有关件的工作条件和环境，直接影响零组件的寿命、可靠性，甚至造成零件损坏。
因此发动机零件之间的封严显得尤为重要。
航空发动机涡轮部件的封严方式主要包括主流道的封严和空气系统二次流的封严。
主流道封严主要是防止主流道气流泄漏，从而降低发动机的性能。
空气系统二次流的封严主要是满足热端部件的冷却要求，并满足轴向力对各封严腔的腔压要求。
本文主要就航空发动机涡轮部件常用的封严方式进行了研究，同时介绍了新型封严技术的研究进展、推广应用及发展趋势。
2主流道的封严涡轮主流道封严结构设计的主要内容包括下列三个方面：涡轮主流道中转动件与静子件间的封严结构；涡轮主流道中静子件间的封严结构；涡轮主流道中转动件间的封严结构。
本文主要就转动件和静子件之间的封严结构进行介绍，这种封严结构主要包括叶尖间隙的封严和内流道封严。
2.1 叶尖间隙的封严2.1.1叶尖间隙封严方式介绍为了把叶尖泄漏降低，涡轮每级叶片排都要采用外壁封严装置，在这种设计中，工作叶片是转动的，而叶片上面的环面或叫“磨道”是静止不动的。
根据控制原理的不同，间隙控制种类可分为主动间隙控制和被动间隙控制两大类。
叶尖间隙对涡轮性能影响的计算与试验研究
第 ２ 卷 第 ２期 ５
２１年 ５ ０２ 月
燃 气 涡 轮 试 验 与 研 究
Ｇａ ｒ ｎｅＥｘ ｒｍ ｅ ｔａ ｄ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｓＴｕ ｂｉ ｐｅ ｉ ｎ ｎ ｓ ａ ｃ
Ｖｏ ． ．Ｎｏ． １２５ ２ Ｍ ａ ２０１ ｙ， ２ ３ ３
摘
要 ： 用 电容 型 叶 尖 间 隙 测 量 系 统 ， 国内 首 次 对单 级 涡 轮级 性 能 试 验 状 态 下 的转 子 叶尖 间 隙 进 行 了实 时 测 量 ， 采 在
ｃ ｌｔｏ ａ ａ ａ ｒ ｅ ｌ ｔ ｈｅｔ ｓ ｔ ． ｅ ａ ｐ ｉ ａｉ ｎ ｏ ａ ｃ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｗａ ｅ ｅ ｉｉ ｌｔ ａ ｔ ｒｔ ｕ ａ ｉｎ ｄ ｔ ｇ ｅ ｄ ｗｅｌｗｉ ｔ ｅ ｔｄａａ Ｔｈ ｐ ｌｃ ｔｏ ｆｃ ｐａ ｉｉ ｒ ｂ ｓｂ ｎ ｆｃａ ｏ ｍ ｓｅ ｈｅ ｈ ｖ ｃ ａ ｇｎｇｒ ｌｓｏ ｉ ｌ ａ ａ ｅ ａ ｍｐ ｏ ｅｔ ｓ ｅ ｕ ｉｙ Ａｌｏｔ ｅ ｉ ｆｕ ｎ ｅｏ ｉ ｌ ａ ａ ｃ ｎ ｔ ｒ ｎ ｆｉ ｈ ｎ ｉ ｕ ｅ ｆｔ ｃ ｅ ｒ ｎｃ ｎｄ ｉ ｒ ｖ ｅ ｔｓ ｃ ｒｔ ． ｓ ｈ ｎ ｌ ｅ ｃ ｆｔ ｃｅ ｒ ｎ ｅ ｏ ｕ ｂｉ ｅｅ ｆ— ｐ ｐ ｃ ｅ ｃ ｏ ｌ ｅｐ ｏ ｒｙ ｅ ａｕａｅ ｙｒ ａ ｉ ｅｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｆ ｉ ｌ ａ ａ ｃ ． ｉｎ ｙｃ ｕ ｄ ｂ ｒ ｐｅｌ ｖ ｌ ｔ ｄ ｂ ｅ ｌ ｍ ａ ｕ ｅ ｎｔ ｐ ｃｅ ｒ ｎ ｅ ｔ ｏｔ Ｋ ｅ ｒ ：ｔ ｒ ｉ ｅｒ ｔ ｒ ｔｐ ｃ ｅ ｒ ｎ ｅ；ｅ ｌｔｍｅ； ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｅ ｔ ｎ ｍ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａｉ ｎ ｙ ｗｏ ｄｓ ｕ ｂ ｎ ｏｏ ；ｉ ｌａ ａ ｃ ｒ ａ ｉ ｐ ｒｏ ｍ ｎ ｅ ｔｓ ； ｕ ｒｃ １ ｍ ｌｔｏ ｓ
跨声速涡轮叶顶间隙流动传热特性的数值研究
跨声速涡轮叶顶间隙流动传热特性的数值研究杜昆;李军【摘要】针对叶顶间隙的高速泄漏流及复杂的流动问题,采用求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和S-A湍流模型的方法研究了跨声速流动条件下涡轮叶片顶部的流动传热特性,同时计算分析了叶顶间隙高度和进口湍流强度对顶部流动换热特性的影响.研究结果表明:叶顶间隙为0.188％动叶高度(小间隙)时,间隙泄漏流为亚声速(0.3＜Ma＜0.8)并具有最大的叶顶换热系数;当叶顶间隙高度增大至0.75％动叶高度时,间隙泄漏流出现超声速流动(1.0＜Ma＜1.3),叶顶平均换热系数最小;随着间隙高度增大,超声速流动区域从尾缘向前缘扩展,顶部换热系数先减小后增大.叶顶间隙高度的增大使得马蹄涡向吸力面侧移动,从而改变叶顶前缘附近换热系数分布;泄漏流在间隙区域急剧加速使得湍流水平显著降低,而进口湍流强度变化对于叶顶换热影响很小,但进口湍流强度增大时叶顶前缘吸力面侧二次流减弱.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2016(050)004【总页数】6页(P147-152)【关键词】跨声速叶片;叶顶间隙;传热特性;进口湍流度;数值模拟【作者】杜昆;李军【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;先进航空发动机协同创新中心,100191,北京【正文语种】中文【中图分类】V231.1在现代燃气轮机中,叶顶附近的高温燃气在涡轮动叶顶部与机匣的间隙中形成高速泄漏流,从而导致动叶顶部承受很高的热负荷[1]。
叶顶间隙的高速泄漏流及复杂的流动状态使得叶顶区域的流动换热机理的研究一直是涡轮叶片流动换热领域的热点和难点[2]。
无围带结构的燃气轮机高压涡轮动叶顶部间隙泄漏流马赫数可以超过1.5,同时跨声速间隙泄漏流动对叶片顶部换热产生很大影响[3]。
考虑到实际中燃气轮机的安全运行的需要,本文利用数值方法来研究跨声速涡轮叶顶间隙处的流动和换热特性。
叶顶凹槽肋条对涡轮转子叶尖泄漏流场的影响
叶顶凹槽肋条对涡轮转子叶尖泄漏流场的影响摘要：本文采用数值模拟方法，对不同叶尖处理构型的涡轮转子流场进行数值计算，获得了平顶叶尖、凹槽叶顶、带肋条的凹槽叶顶的涡轮转子间隙流动特性，以及对涡轮转子性能的影响。
研究的6种模型中，模型A6的转子性能优于平顶叶尖模型A1，其他凹槽构型的转子性能均低于平顶叶尖模型A1。
关键词：涡轮转子叶尖间隙泄漏流凹槽肋条采用精铸工艺制造高压涡轮转子冷却叶片必然会在叶片叶顶处形成凹槽，这给有效控制叶尖间隙泄漏流提供了可能性，得到了科研工作者广泛关注和重视。
2006年Bob Mischo和Thomas Behr[1]开展了涡轮转子叶尖凹槽对某 1.5级高负荷轴流涡轮性能影响的研究；2007年西安交通大学杨佃亮、丰镇平。
[2]研究了燃气轮机透平转子叶尖凹槽对动叶顶部流动和换热的影响；2009年工程热物理所张永军、王会社等人[3]研究了某1.5级无导叶对转涡轮转子叶尖凹槽对间隙流场的影响。
这些研究结果均表明，凹槽的存在改变了泄漏流的流动状态，阻碍泄漏流的流动，从而降低了泄漏流量以及泄漏损失，叶尖区域的气动性能得到改善，涡轮效率比平顶叶尖涡轮效率有所提升，叶尖传热系数下降。
1 模型和计算方法本文研究的基准涡轮转子为某高炉煤气余压透平涡轮转子，转速为3000?r/min，转子叶尖间隙为2?mm。
叶顶凹槽深度为4?mm。
本文对比分析了6个计算模型（表1），如图1给出了叶顶凹槽内嵌弯曲肋条的模型A3和内嵌3个周向直肋条的模型A6。
采用求解全三维雷诺平均N-S方程计算分析复杂叶顶构型的涡轮转子内部流场，应用SST湍流模型封闭方程组。
计算网格采用局部加密的四面体非结构化网格，保证流场参数变化剧烈的区域有足够的网格数。
图2为模型3（左）和模型6（右）的网格。
涡轮转子计算通道的进口给定总温、总压和气流角，总温、总压为高炉炉膛出口截面值，气流角取进口导叶几何出口角，计算通道的出口背压由径向平衡方程确定。
空化对叶顶间隙泄漏涡演变特性及特征参数影响的大涡模拟研究
引用格式：程怀玉，季斌，龙新平，槐文信.空化对叶顶间隙泄漏涡演变特性及特征参数影响的大涡模拟研究.力学学报，2 0 2 1 ,53(5): 1268-
1287 Cheng Huaiyu, Ji Bin, Long Xinping, Huai Wenxin. LES investigation on the influence o f cavitation on the evolution and characteristics
第 53卷 第 5 期 2021年 5 月
流体力学
力学学报
C hinese Journal o f Theoretical and A pplied M echanics
V o l.53, N o .5 M a y ,2021
空化对叶顶间隙泄漏涡演变特性及特征 参数影响的大涡模拟研究I
程 怀 玉 季 斌 21* ) 龙 新 平 槐 文 信
TLV空化作为一种旋涡空化，会 显 著 受 到 T L V 自身 发展的影响；另一方面,空化的发生也会反过来影响 T L V 的 演 变 行 为 及 其 特 征 参 数 .二 者 相 互 影 响 ，流动 机制非常复杂[|6_171.
旋涡强度(环量)作为描述旋涡的重要特征参数， 对 TLV的发展及其空化行为等均会产生重大影响， 得到了研究者的广泛关注.随着研宄人员的不断努 力，来流速度、攻 角 对 TLV强度的影响规律己经研究 得比较充分，也可以在理论上得到很好的解释 但是间隙大小对TLV强度的影响机制依然是个未能 解 决 的 难 题 _.根 据 Muthanna等 I21]、Inoue等 和 S to re r 等 I23]对 空 气 压 缩 机 内 部 叶 顶 间 隙 流 动 的 测 量 结果，随着间隙的增大，T L V 的强度及半径均会增大. 但是，这 一 结 论 与 Boulon等 [24]对 TLV 空化观测得 到 的 规 律 相 矛 盾 .他 们 发 现 ，间 隙 越 小 ，T L V 强度越 大，空化也 越 容 易 发 生 . 为 了 探 究 间 隙 大 小 与 T L V 强 度之间的关系，Dreyer等 M 针 对 绕 NACA0009水翼 的叶顶间隙泄漏涡空化开展了一系列PIV 测量和高 速摄影观测.结果表明：当间隙尺寸小于某个临界尺 寸时，间隙越小，T L V 的强度越小；当间隙尺寸大于 该临界尺寸时，间隙越大，TLV 强度反而越小. 但是， 对于其具体的作用机制尚不清楚.
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涡轮动叶叶尖间隙泄漏特性与控制方法研究
涡轮动叶叶尖间隙泄漏特性与控制方法研究
摘要：近年来，随着航空航天工业的快速发展，高效节能涡轮机的研究成为热点。
然而，涡轮机中的叶尖间隙泄漏问题却成为制约涡轮机效率提高的主要问题。
本文通过对涡轮动叶叶尖间隙泄漏机理的研究，剖析了叶尖间隙泄漏对涡轮机性能的影响，并提出了相应的控制方法，旨在促进涡轮机的节能高效运行。
1.引言
在涡轮机中，叶尖间隙泄漏是一种不可避免的现象。
当高压气体通过叶片间的缝隙泄漏时，会导致气体能量的浪费和涡轮机效率的降低。
近年来，随着燃油价格的不断攀升和环保意识的提高，涡轮机高效节能的研究成为航空航天工业的重要课题。
2.叶尖间隙泄漏机理
涡轮动叶叶尖间隙泄漏是由于涡轮机叶片与壁面之间存在一定的间隙，高压气体通过这些间隙泄漏到叶片外部。
这种泄漏现象会导致气体能量的损失，并引起后续流场的不稳定性，从而影响了涡轮机的性能。
3.叶尖间隙泄漏的影响
叶尖间隙泄漏对涡轮机的性能影响主要表现在以下几个方面：（1）损失气流的增加：泄漏的高温高压气流会带走涡轮叶片上的热量，导致叶片工作温度升高，从而减少了叶片的寿命。
（2）能量损失的增加：泄漏的气体能量直接导致涡轮机的效率降低，损失的能量将不能转化为对外输出的功率。
（3）后续流场的不稳定性增加：泄漏气体会改变叶尖的边界层结构，形成非均匀的流场，影响后续流的稳定性和可控性。
（4）振动噪声的增加：泄漏气体会导致叶片振动和噪声的增加，对涡轮机的稳定运行和飞行人员的舒适度造成不利影响。
4.叶尖间隙泄漏的控制方法
为了降低叶尖间隙泄漏的影响，目前提出了一些有效的控制方法：
（1）采用密封技术：通过改变叶片的间隙设计，增加叶尖间隙密封件的使用，可以有效地减少泄漏气体的数量。
（2）优化叶片形状：通过叶片的形状优化，改变流场的流动规律，减少间隙泄漏的可能性，提高涡轮机的效率。
（3）使用涂层材料：在叶片表面添加涂层材料，可以改善叶片表面的热传导性能，减少泄漏气体对叶片温度的影响。
（4）采用主动控制技术：通过传感器和控制系统，实时监测叶尖间隙泄漏情况，并调节叶片结构，控制和减少泄漏气体。
5.结论
叶尖间隙泄漏是影响涡轮机高效节能的重要因素。
本文从叶尖间隙泄漏的机理出发，分析了其对涡轮机性能的不利影响，并提出了相应的控制方法。
通过合理的控制手段，可以减少叶尖间隙泄漏，提高涡轮机的效率和性能，促进航空航天工业的可持续发展。
综上所述，叶尖间隙泄漏对涡轮机性能和可控性产生不利影响。
泄漏气体改变了叶尖的边界层结构，导致流场的不稳定性增加，同时增加了振动噪声，对涡轮机的稳定运行和飞行人员的舒适度造成不利影响。
为了控制叶尖间隙泄漏，可以采用密封技术、优化叶片形状、使用涂层材料和主动控制技术等方法。
通过这些控制手段，可以减少泄漏气体的数量，改善流场的流动规律，降低振动噪声，并提高涡轮机的效率和性能。
因
此，合理控制叶尖间隙泄漏对促进航空航天工业的可持续发展具有重要意义。