【摘 要】
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为了避免涡轮主流高温燃气进入轮盘盘腔,保证其安全运行,需要引入大量冷气对涡轮轮缘进行封严。封严冷气流会与涡轮通道内的主流发生相互作用,导致流动损失增加,从而影响涡轮的气动性能。随着涡轮前温度不断提高,封严冷气流占比也进一步增大,封严流造成的损失已经成为涡轮总损失中不可忽略的部分,严重影响发动机循环效率的提升。因此,在保证轮缘封严效果的前提下,如何降低封严流量和封严流造成的损失,提高涡轮效率成为了涡
【基金项目】
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国家自然科学基金（51876202和51836008）；
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为了避免涡轮主流高温燃气进入轮盘盘腔,保证其安全运行,需要引入大量冷气对涡轮轮缘进行封严。封严冷气流会与涡轮通道内的主流发生相互作用,导致流动损失增加,从而影响涡轮的气动性能。随着涡轮前温度不断提高,封严冷气流占比也进一步增大,封严流造成的损失已经成为涡轮总损失中不可忽略的部分,严重影响发动机循环效率的提升。因此,在保证轮缘封严效果的前提下,如何降低封严流量和封严流造成的损失,提高涡轮效率成为了涡轮设计需要考虑的重要问题。本文以某民机高压涡轮叶栅为研究对象,首先,利用实验数据校核封严流与主流相互作用的数值方法计算。然后,以封严结构和非轴对称端壁对端区二次流影响为切入点,采用经过实验验证的数值模拟方法,详细分析了简化封严结构封严流与主流的相互作用机理,探讨了封严流量和非轴对称端壁对叶栅气动性能和端区二次流影响,发现了轮缘封严结构会诱导出的封严泄漏涡,使端区二次流涡系结构增强,叶栅总压损失增大;非轴对称端壁通过减小通道内的横向压力梯度,抑制端区二次流动、减小损失,随着封严流量比的增大,非轴对称端壁对流场的抑制效果逐渐减小。进而,设计了三种真实封严结构（带鲨鱼鼻的封严结构A、带海豚鼻的封严结构B以及带鲨鱼鼻和大容腔的封严结构C）,探讨了真实封严结构下封严流和主流的相互作用机理,总结了封严结构对叶栅性能的影响。研究发现在封严流量较小时（＜0.8%）,封严结构B的封严效率优于A和C,总压损失也最低;随着封严流量增大（质量流量比大于0.5%）,三种封严结构的封严效率均可达99%,总压损失趋于相近。非轴对称端壁主要通过延缓马蹄涡压力面分支与封严泄漏涡的混合,使这两个涡相对独立发展,从而大幅削弱通道涡发展。主流攻角减小使得马蹄涡的压力面分支减小,通道涡的核心涡量被大幅削弱,其总压损失相比设计工况降低效果明显。
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