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

凹坑结构对涡轮前缘换热的影响

关键词：涡轮前缘；换热；凹坑；直径
中图分类号:TK 262
文献标志码:粤
文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员9）08原园108原园3
Effect of Pit Structure on Heat Transfer of Turbine Leading Edge
XUE Wei
（Equipment Manufacturing Branch of Daqing Petroleum Administration, Daqing 163411, China）
turbine blade. Firstly, the paper briefly compares the heat transfer between the pit-free structure and the pit structure, and obtains the influence of the pit structure on the heat transfer of the impact target surface. Then, for the pit structure, the
机ห้องสมุดไป่ตู้工程师
MECHANICAL ENGINEER
凹坑结构对涡轮前缘换热的影响
薛伟（大庆石油管理局有限公司装备制造分公司，黑龙江大庆 163411）
摘要：涡轮叶片前缘由于受到燃气的冲击，其热负荷较高，因此前缘是涡轮叶片上最关键的传热区，在对涡轮进行传热设计和计算时必须对该区域予以考虑。将凹坑结构正对冲击孔布置于冲击靶面，将有可能增强冲击靶面的换热，进而提高前缘以至于整个涡轮叶片的冷却效果。文中首先对无凹坑结构和带凹坑结构的换热情况作了简单对比，给出凹坑结构对冲击靶面换热的影响。而后对于带凹坑结构，通过改变凹坑直径来研究其对换热造成的影响，发现凹坑结构具有增大冲击靶面换热的潜质，当凹坑直径增加时，换热会减弱。

不同叶顶结构的间隙流场及对涡轮性能的影响

不同叶顶结构的间隙流场及对涡轮性能的影响贾小权;黄东煜;赵雄飞【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k-ω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.【期刊名称】《航空发动机》【年(卷),期】2015(041)006【总页数】4页(P70-73)【关键词】涡轮;间隙泄漏;掺混损失;叶冠;航空发动机;流场【作者】贾小权;黄东煜;赵雄飞【作者单位】中国人民解放军海军驻哈尔滨703所军事代表室,哈尔滨150001;中国人民解放军海军驻哈尔滨703所军事代表室,哈尔滨150001;中国人民解放军海军驻哈尔滨703所军事代表室,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】V231.3叶顶泄漏流动是涡轮动叶实际运行过程中不可避免的，带来了一系列影响。

对于涡轮级来说，叶顶泄漏会阻塞主流道，恶化叶顶换热情况，减小叶尖附近叶片载荷，带来间隙泄漏损失，而且叶尖泄漏流在与主流掺混也会使下游静叶产生攻角损失[1-2]。

涡轮的流动损失中约有1/3是由叶顶间隙泄漏流动引起的[3]。

因此，对叶顶泄漏机理进行研究进而进行优化设计是十分必要的。

对于涡轮泄漏流的研究从20世纪50年代开始，Rains[4]于1954年对静叶根部和动叶顶部的间隙泄漏流动进行了试验研究，建立了间隙泄漏损失模型；很多学者在80年代对涡轮间隙泄漏进行进一步研究[5-6]，在涡轮平面叶栅上进行试验；90年代后，计算流体软件技术的发展使得泄漏研究进入了新时期[7-9]，更多通过试验和数值模拟的对比研究进一步深入了解了泄漏机理[10-11]。

用CFD研究离心压缩机叶顶间隙对内部流场的影响.

用CFD研究离心压缩机叶顶间隙对内部流场的影响张元兴楚武利/西北工业大学能源动力学院摘要：采用商用软件NUMECAL中FINE/TURBO模块对低速大尺度离心压缩机(LSCC)在不同间隙条件下的内部流场进行了数值模拟。

给出了压缩机叶轮出口处的通流速度分布以及不同截面二次流矢量、二次流流线等计算结果。

结果表明：叶顶间隙的大小与泄漏流动的强度和通道内的尾迹区位置分布密切相关，泄漏流动与通道涡的相互作用严重影响了通道内的流场分布。

关键词：离心式压缩机泄漏流动叶顶间隙中图分类号：TH452 文献标识码：B文章编号：1006-8155（2007）02-0009-04Application of CFD Researching on the Influence of Top Blade Clearance on Inner Flow Field of Centrifugal CompressorAbstract: The Fine/Turbo module in NUMECAL commercial software is applicated to numerical simulate the inner flow field of Low-Speed Large-Scale centrifugal compressor with different clearance. The speed distribution of passage flow on the exit of compressor impeller and calculate results of quadric flow vector and quadric flow streamline with different sections are given. the results shows: The scale of top blade clearance is closely relative to the strength of leakage flow and distribution of tail trace position in passage, the leakage flow and passage vortex interaction has seriously affected the flow field distribution of inner passage.Key word: Centrifugal Compressor Leakage flow Top blade clearance0 引言在离心压缩机叶轮中，因为叶顶间隙的存在，叶顶间隙泄漏就不可避免。

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。