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%。

采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的方法对典型的燃气轮机交错齿迷宫密封的泄漏特性开展了研究。计算分析了5种轴向齿间距和7种齿腔深度时不同压比下交错齿迷宫密封的泄漏量和流场形态。研究了轴向齿间距、静子面和转子面密封齿腔深度尺寸对交错齿迷宫密封泄漏特性的影响规律。研究结果表明:在齿腔深度保持不变时,轴向齿间距的改变会使得密封有效泄漏间隙发生变化,进而引起泄漏量发生改变。有效泄漏间隙越大,泄漏量越大。轴向齿间距一定时,静子面和转子面齿腔深度对密封泄漏量的影响规律相同。当轴向齿间距为0时,泄漏量随着齿腔深度增加而增大,当轴向齿间距为14mm时,泄漏量随着齿腔深度的增加而减小。研究结果同时验证了交错齿迷宫密封的有效泄漏间隙和齿腔深度是决定其泄漏量的关键几何参数。

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。