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叶尖间隙对微涡轮叶栅内流影响机理与叶尖逆向涡控研究

曹传军  
【摘要】:微型涡轮发动机以其重量轻、功率大、能量密度高的优势被广泛应用在军/民用领域,近年来得到了空前关注和发展。微型涡轮发动机尺寸显著减小带来的工作雷诺数低及较大的叶尖间隙比阻碍了其性能的进一步提高,而国内外对微型涡轮发动机这方面的研究较少或未见公开报道。因此,本文针对影响微型涡轮叶片性能的低雷诺数和叶尖间隙问题开展了研究,主要包括以下内容: (1)将新型非接触式压敏涂料测压技术应用在毫米尺度流场领域,自主研制该测压系统的部分子系统,包括设计基于LED阵列的激发光源系统、加装显微放大系统、喷涂及热处理设备;设计了压敏涂料测压技术的标定系统并完成典型压敏涂料的标定实验;建立了一套完整的适用于毫米尺度流场领域的压敏涂料测压系统,应用该测压系统研究了毫米尺度微涡轮叶栅低雷诺数及叶尖间隙对吸力面压力的影响。 (2)以数值模拟和实验测量相结合的方法研究了毫米尺度微涡轮叶栅低雷诺数流动特征,揭示了微叶栅通道主要二次流的形成、发展及其相互作用;毫米尺度叶栅低雷诺数时通道涡中心总压损失明显高于常规尺度叶栅,通道涡沿程在栅距方向的影响范围明显增加;在10%轴向弦长之后毫米尺度微叶栅拟S3截面平均总压损失大于常规尺度叶栅,且60%轴向弦长之后平均总压损失急剧上升,远超常规尺度叶栅。 (3)研究了叶尖间隙对毫米尺度微涡轮叶栅流场的影响及其影响机理,发现叶尖间隙内叶片前部气流在吸力面出口已掺混均匀,而在叶片后部速度没有完全掺混,出口为混合速度层;随着叶尖间隙增大,叶尖泄漏流量成比例增加,叶片受到的周向载荷减小,M1=0.1时,叶尖间隙每增加1%,叶尖泄漏流量平均增加17.5%,周向载荷平均降低2%。压敏涂料测压技术对不同叶尖间隙吸力面的测量结果表明5%叶尖间隙吸力面压力分布与10%、15%叶尖间隙吸力面压力分布明显不同,在吸力面后部靠近叶顶处出现高压力区域,与其他间隙时泄漏形成的低压区现象相反。 (4)提出了利用逆向涡流器减小叶尖泄漏流的方法,利用压力面和叶顶面的压力差将气流从主流通道压力面侧引入,在叶顶面以一定角度逆着叶尖泄漏流方向高速射出,从而减小泄漏流量并降低泄漏造成的叶轮损失。对影响逆向涡流器减小叶尖泄漏流的主要因素如孔径比、涡流器布置位置、布置密度以及出流角进行研究,增加涡流器入流与出流孔径比、在叶片中后部布置涡流器、适当减小出流角可以增加涡流器流量、减小叶尖泄漏流量、提高叶片周向载荷。 (5)对逆向涡流器减小叶尖泄漏流的方法进行了实验验证,通过改进微细电火花加工流程、设计整级“梳”妆电极成功在毫米尺度微涡轮叶栅压力面和叶顶面分别加工出直径0.2mm及0.1mm具有一定深径比的逆向涡流发生器;实验结果表明有涡流器叶片受到的周向载荷明显高于无涡流器叶片受到的周向载荷,随着进口马赫数增大,涡流器对叶片周向载荷的影响增大;M1=0.18时,与无涡流器叶片周向载荷相比,有涡流器时叶片周向载荷提高了约21.6%,本文提出的逆向涡流器方法为提高微型涡轮发动机性能提供了一种有积极意义的储备技术。


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