以轴向轮缘密封为研究对象,在传统直缝密封间隙结构的基础上,通过改变轴向外齿间隙区域的几何型线,设计了双曲线、椭圆及圆型密封导流段结构,数值求解了三维RANS方程组和SST湍流模型,并且系统深入研究了这4种不同导流段几何结构下轮缘密封射流对涡轮级的气动性能,以及对下游动叶端壁冷却性能的影响规律。研究结果表明:所设计圆型、椭圆型以及双曲型导流段结构均可提高涡轮级整体气动性能;圆型密封导流段结构具有最佳的气动性能以及端壁气膜冷却效果。相比于直缝型导流段结构,采用圆型导流段结构在相同的冷气流量下,涡轮级效率可提高约0.23%;在动叶前缘轮缘密封射流所覆盖的冷却区域,采用圆型导流段结构时冷却效率可提高约20%。

本文通过求解SST湍流模型以及三维Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(URANS)方程,研究了单级轴流透平轮缘密封整周模型的流动与封严特性。分析了不同冷气流量下的封严效率与压力波动的变化,并通过与仅保留静叶和仅保留动叶的简化模型比较,分析了动静叶对主流与盘腔内压力波动的影响。结果表明盘腔内部封严效率存在周向波动但无明显周期性规律,主流与盘腔内的压力周向波动受动静叶的影响,存在明显的周期性规律,静叶下游压力波动周期数等于静叶数,动叶上游与盘腔内部压力波动周期数等于动叶数。

为明确轮缘密封技术发展现状及趋势,在相关文献调研基础上,从轮缘密封燃气入侵的预测模型、轮缘密封不稳定流动机制、涡轮轮缘密封燃气入侵特性及流动机理、轮缘密封出流与涡轮主流的相互干扰、涡轮轮缘密封设计及气动性能改进等方面对燃气轮机轮缘密封气动技术的研究进展进行综述。简要总结了轮缘密封流动的常用研究方法与研究结果,并指出未来除需进一步完善多参数耦合影响下的多种封严结构燃气入侵理论预测模型,强化涡轮高参数试验及高精度数值计算方法外,还应在变工况条件下的旋转诱导入侵、轮缘密封间干扰和封严出流与主流非定常交互演化机制等方面开展更深入的细致研究,并在此基础上探索高性能轮缘密封结构设计优化技术。另外,强化气热环境下的封严出流对涡轮冷却特性的影响研究,发展考虑封严出流作用的涡轮低维度气...

为探究受涡轮动、静叶片单独及共同作用下的轮缘密封结构封严与入侵的精细流动机理,通过SST湍流模型,对处于无叶片、仅存在动叶、仅存在静叶、动静叶均存在的4个不同环境中的典型轴向密封结构进行非定常数值模拟。结果表明:动、静叶片通过改变轮缘密封间隙出口处高、低压区之间的面积与压差,和增加间隙内的再循环及泰勒-库特型流动强度,以及使盘腔内回流涡的位置沿径向下移等方式对间隙和盘腔内的封严性能产生负面影响;且动叶的存在可抬高出流冷气进入主流时的径向高度,静叶的存在可导致入侵区中大尺度间隙涡的出现并使其在近静盘顶部位置的封严性能急剧恶化;相比于无叶片结构,受动、静叶单独及共同作用的间隙中部的最小封严效率分别降低约0.22,0.25和0.44,间隙底部的最小封严效率分别降低约0.08,0.13和0.36。间隙中部及近静盘顶部位...

为了研究前后腔轮缘密封封严特性和封严出流与主流的交互作用,对转静叶片之间带有前后封严腔的1.5级涡轮进行了三维定常数值模拟,研究了不同封严流量下前后封严腔出口处流场分布并采用附加变量法对比分析了前后腔轮缘密封效率。结果表明:前封严腔主流燃气入侵位置主要受到来自上游导叶尾迹的影响,后封严腔主流燃气入侵位置主要受到下游导叶前缘位势场影响;封严出流影响了20%叶高以下的主流区域,增大了轮毂二次流强度;采用相同封严流量下时前封严腔的封严效率较后腔更低且有着更大的封严效率波动。

为探讨轮缘密封气流对高压涡轮静叶通道内流动特性的影响,采用SST湍流模型求解三维非定常雷诺方程,分析无封严腔、无封严气流以及4种封严流量下涡轮静叶通道内压力波动和气流变化。研究结果表明:封严腔出口受上游静叶压力场影响较大,燃气入侵发生在静叶尾缘附近压力面和吸力面两侧气流交汇形成的高压区;封严出流发生在静叶通道中间位置受吸力面侧扩压区影响的低压区;封严出流与主流掺混形成的新涡量结构卷吸了部分附面层流体,削弱了二次流结构的强度,同时对主流通道形成堵塞效应,推动了轮毂二次流向吸力面靠近同时径向位置的抬升;盘泵效应导致的封严出流与主流的掺混增强了非定常效应,封严流量的增大能够抑制通道内非定常效应。

为了研究斜向角度对轮缘密封性能影响,对3个带有不同斜向角度的涡轮轮缘密封装置进行数值模拟。研究表明:不同斜向角度的盘腔装置内燃气入侵主要发生在靠近转子一侧;随着斜向角度增大,燃气入侵在周向和径向上都加深,从而使得封严效率下降,当斜向角度增加30°,最大可使得封严效率下降44%;随着斜向角度增大,由燃气入侵和封严出流诱导产生的封严间隙涡会增强,并且会促进转子下游通道涡的发展,从而使得转子叶片负荷能力降低。

主流的高温燃气在压力差的作用下通过涡轮动静叶之间的轮缘间隙入侵盘腔内部,造成涡轮盘过热。本文利用数值模拟计算方法,以1.5级涡轮为研究对象,研究了涡轮轴向轮缘密封、径向轮缘密封以及圆柱孔状径向轮缘密封结构的封严特性,分析了圆柱孔轴向位置和直径尺寸对轮缘燃气入侵和封严特性的影响。结果表明数值计算得到的结果与实验值吻合良好,验证了所用数值方法的可靠性;径向轮缘密封相对于轴向轮缘密封在小冷气量工况时具有更好的封严性能,但在大冷气量工况下情况相反;当圆孔直径较大时,圆柱孔状径向轮缘密封可以改善传统径向轮缘密封在大冷气量工况下的封严性能,提高封严效率。

系统深入研究了不同导流段轴向相对位置轮缘密封射流对涡轮级气动性能及下游动叶端壁冷却性能影响规律。通过求解三维RANS方程组和SST湍流模型,计算对比了Ld=5mm、Ld=11mm以及Ld=14mm时3种不同导流段与动叶前缘相对位置、轮缘密封射流对涡轮级气动性能的影响以及对下游动叶端壁气膜保护的效果。研究结果表明:随着导流段与动叶前缘轴向相对距离的增加,涡轮级气动性能提高,同时冷气流可以更加深入到动叶通道内部,从而增加动叶端壁前缘冷却区域的面积。

为了研究涡轮转静盘腔间轮缘封严结构对下游动叶通道内流动的影响,对无封严结构、无封严气流及采用不同封严流量时涡轮动叶通道内流场分布和气动损失进行了数值模拟。结果表明:封严腔出口位置气流受静叶与动叶相对位置变化的影响呈现较强的非定常特性,变化与动叶运动周期保持一致。动叶入口位置非定常波动受到封严气流与前缘势场共同作用,封严气流引起周向、径向速度变化的同时也造成了强烈的非定常效应。动叶通道内封严气流引起的端区气流偏转改变了前缘马蹄涡滞止点位置,增强了马蹄涡压力面分支,动叶吸力面一侧剪切诱导涡改变了轮毂通道涡的形成机制和吸力面侧相对低压区的位置。