透平机械叶尖间隙流场研究的进展.pdfVIP

维普资讯 第31卷 第 1期 力 学 进 展 V0I．3l o．1 2001年 2 月 25 日 ADVANCES IN MECHANICS R出 25． 2001 透平机械 叶尖 间隙流场研 究的进展 杨 策 马朝 臣 王延生 老大 中 北京理工丈学车辆工程学院．北京 IG0081 摘 要 叶尖 间隙流动对遗平机械性能有很大影响．长期 来 ．叶尖 间隙流动机理一直是透平机械 领域研究的一十热点，同时也是一十 尚未认识清楚的难点．把叶尖间隙内流动的研究进展分成两个 部分；～部分是透平叶栅和透平转子内部叶尖间隙流场的研究进展．另一部分是压气机叶捕租压气 机转子内部叶尖间隙流场 的研究进展 对 目前叶尖间隙研究集中的问题，如泄漏涡系结构．泄漏流 动模型．泄漏涡旋涡强度的变化，泄漏涡和激波的相互作用等进行了简要的总结 文中还对遮平机械 叶尖何隙泄橱流动常用的数值计算方祛进行 了总结 认为今后应进一步对 下 问题进行研究，其中 包括研究高速遗早机械叶尖泄漏涡旋祸强度变化问题。径流式叶轮机械叶尖 间隙泄漏流动过程及泄 漏涡发生发展规律问题，泄橱涡与激波相互作用产 生阻塞区域的大小 问题． 美键词 连平机械，叶尖，泄漏流动．泄漏涡 透平机械 叶尖 间隙流动对透平机械本身性能有很大影响 目前普遍认为，较小 的叶尖 间隙 能够改善透平机械性能，降低噪声；过大 的叶尖间隙又会使性能下降．并能引起旋转失速、喘振 等影响叶轮机械正常工作 的非定常流动状态． 目前的研究工作表明，叶尖 间隙区域存在一个非 常复杂 的流动过程，为了搞清 内部流动机理，世界上很多学者致力于这方面 的研究工作，并取 得 了一系列成果 近 四十年来．研究叶轮机械 叶尖间隙流动机理一直是透平机械领域研究的一 个热点，同时也是一个 尚未认识清楚 的难 点，充分认识其 内部 的真实流动过程将有助于改善叶 轮机 的性能，扩大 叶轮机的稳定工作范 围． 图I是叶尖 间隙泄漏流动及泄漏涡示意 图， 图中，r为叶尖 间隙 ，d为叶片最 大厚度 Z为 叶片弦长 ，t为 叶栅栅距 ， 为气流相对速度， U为转子 圆周速度 ，P为压力，口为出 口相对气 流角．对于叶尖 间隙流动，普遍认为受 四种 因 素影响．第一种 因素是 由于叶片吸力面和压力 面之 间存在压力差，导致 了由压力面流向吸力 面 的泄漏流动 ．这种泄漏流动在 叶片通道 内以 涡的形式存在，并对叶片负荷的径 向分布产生 相应影响；第二种因素是轮缘处出现的附面层 对 叶尖流动产生的影 响；第三种 因素是叶片和 图 1 叶尖间瞎c泄橱涡模型示意图 机匣间的相对运动对 叶尖 区的性能会有一定 收稿 日期 ：1999．09-l0．修 回日期 ：2000·03-@4 70 一 维普资讯 的影 响，对于压气机和透平而言，这种影响是不 同的；第 四种因素是叶尖间隙的影响．顶部 间隙 越太．泄漏流动越强．上面 四种因素相互影响、相互作用，使叶尖区域流动现象变得极为复杂． 不 同类型透平机械 叶尖 间隙流动过程也是不相 同的 例如，对于高速轴流压气机．顶部存在泄 漏涡、激波、二次流的相互作用．而对于低速轴流压气机，由于叶尖 区不存在激波，也就不存在 激波 与泄漏涡 的相互作用 ，而只存 在二次流和泄漏涡 的相 互作用． 对 叶尖间隙流场研究方 法大致可 分为三种，一是理论模型方法，二是实验测量方法 ，三是计 算求解全三维 —S方程方法．早期，由于实验条件 的限制．计算设备 的落后，叶尖 间隙流动 的研 究主要依靠模型方法，最具有代表性 的模型是 Rains(1954)[1‘建立的模型，如 图2所示．其中， 为压力面静压，Pn为压力面总压， 为吸力面静压， 为气流速度 ， 为 在子午流面 速度分量 ， 为泄漏速度． Rains发现横跨叶片的压力梯度远大于沿 叶片方 向的压力梯度，由 此可 以推断叶