透平叶片顶部间隙流动特性的实验和数值研究

透平叶片顶部间隙流动特性的实验和数值研究

张洪;王建华;张清波

【摘要】利用粒子图像测速技术(PIV)捕捉透平叶片顶部泄漏流特征,并以此数据验证湍流模型和用商业软件CFX12.0进行的数值模拟方法.所研究的叶片为典型的GE-E3叶片,为了展示泄漏涡的生成和发展过程,用实验数据展示了3个不同截面的速度分布.数值计算中使用了混合网格生成技术及5种湍流模型.通过与实验数据的比较发现:RNG k-ε模型计算所得的泄漏涡与实验所拍摄的真实流动能较好地吻合.此模型和计算方法同样适用于研究叶顶射流对泄漏流的影响.计算结果显示:通过叶片顶部气膜孔射流产生的阻挡效应,最多能降低6.12％的主流泄漏.%The flow characteristics of turbine blade tip leakage were measured with a particle image velocimetry (PIV) system, and the experimental data was used to estimate the turbulence model and numerical simulation conducted with commercial software CFX12. 0. The test model was a typical GE-E3 blade. To exhibit the generation and development of leakage vortex, three velocity distribution profiles obtained by the PIV system are exhibited. Hybrid mesh generation process and five turbulence models were used during the numerical simulation. Through comparison of experimental data with the simulation results, it can be seen that the vortex obtained by vising RNG k-ε mod el was closer to that captured by PIV system. This turbulence model and numerical approach can be used to estimate the effects of blade tip injection, The numerical results indicated that with coolant injection through the film holes at the blade tip, the leakage flow rate can be reduced by 6, 12% at most.

【期刊名称】《实验流体力学》

【年(卷),期】2012(026)003

【总页数】5页(P56-60)

【关键词】PIV;泄漏流;数值模拟;泄漏涡;湍流模型

【作者】张洪;王建华;张清波

【作者单位】中国科学技术大学热科学与能源工程系,合肥 230027;中国科学技术大学热科学与能源工程系,合肥 230027;中国科学技术大学热科学与能源工程系,合肥 230027

【正文语种】中文

【中图分类】V231.3

0 引言

在现代燃气透平叶片设计中，动叶片顶部应该尽量接近透平环形的固定壁面，同时又必须留有一定间隙，以适应叶片因离心力及受热引起的伸长和固定壁的热变形。在叶片压力面和吸力面之间的压差驱动下，来自燃烧室的高温气体穿过这个顶部间隙，称之为泄漏流。泄漏流将导致以下4个棘手问题：

（1）泄漏流在压力、吸力面之间的压差驱动下穿过叶片间隙后与通道中的主流气体混和，产生泄漏涡，导致较大的总压损失；

（2）由于粘性作用，泄漏流在固定环壁和叶顶表面形成流动边界层，边界中的气流速度比转子在叶顶处的线速度小，转子运动时受到这部分气流的阻力作用又造成一定程度的摩擦损失；

（3）泄漏流直接穿过叶片间隙，没有对叶片做功，因此产生透平级效率损失。这种损失在一定范围内随着间隙距离的变化而不同。文献［1］指出间隙为叶片高度1%时将产生1%～2%的主流泄漏损失，从而降低1%～3%的透平级效率；

（4）高温泄漏流与叶片顶部壁面的对流换热增大，使得整个叶片顶部表面热负荷最高，从而导致叶片寿命缩短。

长期以来，人们对叶顶间隙泄漏流特性及高温泄漏流与叶片顶部、压力面和吸力面换热特性做了大量研究，并在此基础上，改进旋转叶片顶部结构设计，增加凹槽式迷宫密封及气膜孔冷却顶部，这样既可以减少泄漏流量，又可以冷却叶片顶部。文献［2］详细回顾了关于叶片顶部高温气体流动和传热的研究情况。文献［3］的

研究结果指出叶片顶部的对流换热与叶片和固定围带之间的相对运动无关；文献［4］在较大的相对速度范围内，其中包括比实际情况更高的速度下通过实验测量和数值计算，结果都确定了这种无关性。

这种现象的本质可以解释为：相对运动的影响其实仅限于一个附着在围带壁面的薄层之内，叶顶附近的速度分布实际上并没有因为相对运动而改变。这个结论使得对叶顶泄漏流和传热的实验研究可以在静态装置中进行。

在以往的泄漏流特性实验研究中，不同的测量技术被使用。文献［5］使用激光粒子图像测速技术（particle image velocimetry），观察到顶部间隙泄漏流和主流的混合情况。文献［6－9］利用萘升华技术，测量了叶片顶部的局部和平均质量

传输系数。

在数值计算方面关于叶片间隙区域的传热传质特性也有许多研究报告。文献［10］采用标准k－ω湍流模型，模拟了带有顶部凹槽的透平叶片的三维流场和传热特性。文献［11］利用商业软件Fluent，用不同湍流模型进行数值计算，并指出：雷诺

应力模型下的结果和实验数据比较吻合。文献［12］比较了7种不同的湍流模型

和不同的网格划分方法，最后指出k－ω模型的结果和实验结果最为接近，同时他