變幾何渦輪葉柵葉端小翼的氣動性能

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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronaut／caetAstronaut／caSin／caDec252016Vol37No．123615．3624ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：#hkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn變幾何渦輪葉柵葉端小翼的氣動性能高杰*，鄭群，劉鵬飛，魏明哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，哈爾濱150001摘要：針對大子午擴(kuò)張變幾何渦輪在可調(diào)靜葉轉(zhuǎn)動時旋轉(zhuǎn)軸端嚴(yán)重惡化端區(qū)流場的問題，提出在可調(diào)靜葉的機(jī)匣端部應(yīng)用小翼結(jié)構(gòu)的方法以克服這一問題并減少葉端間隙泄漏流動。應(yīng)用數(shù)值方法和標(biāo)準(zhǔn)女一m

2、兩方程湍流模型，并結(jié)合低速風(fēng)洞試驗(yàn)，首先研究了可調(diào)靜葉柵小翼端部流場及損失分布，并考慮了可調(diào)靜葉轉(zhuǎn)動的影響，隨后給出了葉端凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)，并評估了其氣動性能以及對間隙變化的敏感性。研究結(jié)果表明：在可調(diào)靜葉柵中應(yīng)用葉端小翼不但可以避免可調(diào)靜葉轉(zhuǎn)動時旋轉(zhuǎn)軸端惡化端區(qū)流場，還降低了葉端間隙泄漏驅(qū)動力，從而使得可調(diào)靜葉在所有轉(zhuǎn)角下都具有較好的端區(qū)流動性能，并且葉端小翼結(jié)合凹槽結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步減少間隙泄漏，總體上可調(diào)靜葉柵總壓損失系數(shù)降低了8．9％。關(guān)鍵詞：變幾何渦輪；小翼；凹槽；氣動損失；葉柵中圖分類號：V231．3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000—6

3、893(2016)12—3615—10變幾何渦輪技術(shù)可以有效控制渦輪流量變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)和優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)各部件之間的匹配關(guān)系，從而明顯提高整個燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的加、減速特性和低工況性能u]，因此開展變幾何渦輪技術(shù)方面的研究有著十分重要的實(shí)際意義和工程應(yīng)用價(jià)值。變幾何渦輪在航空、艦船、機(jī)車和坦克燃?xì)廨啓C(jī)上已得到廣泛應(yīng)用，對于渦輪變幾何對其效率的影響亦有很多研究。Moffitt等心1試驗(yàn)研究了可調(diào)靜葉轉(zhuǎn)角對單級渦輪的影響。研究結(jié)果顯示，在不同的膨脹比下，不管是打開還是關(guān)閉可調(diào)靜葉，渦輪效率皆有明顯降低，可調(diào)靜葉打開時渦輪效率下降了1％，而可調(diào)靜葉關(guān)閉時卻

4、下降了大概5％。變幾何渦輪在許多應(yīng)用場合下都是以多級形式存在，這增加了變幾何渦輪試驗(yàn)的難度，并且成本也比較高。宋力強(qiáng)和王永泓口3根據(jù)傳統(tǒng)的定幾何燃?xì)廨啓C(jī)損失模型，提出了在變幾何條件下，如何進(jìn)行渦輪損失計(jì)算的思路，并給出了一套完整的計(jì)算變幾何渦輪損失的方法。Qiu等H1提出了一種預(yù)測變幾何渦輪穩(wěn)態(tài)特性的小偏差方法，預(yù)測結(jié)果表現(xiàn)出了與現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)[23很好的一致性。需要注意的是，應(yīng)用變幾何渦輪，一定不能使得可能獲得的效益被變幾何時造成的渦輪效率下降所抵消。因此，除了要弄清楚渦輪變幾何對其性能的影響之外，還要充分了解影響這一效率的各種因素，以便能把

5、由此引起的性能惡化降到最低程度。Razinsky和Kuziak[53發(fā)現(xiàn)，渦輪變幾何后，必須在靜葉端部留有一定的間隙高度，以保證靜葉的自由轉(zhuǎn)動，這樣就會引起靜葉端部的附加損失，導(dǎo)致渦輪效率下降。收稿日期：2015—12—17；退修日期：2016-04—20；錄用El期：2016．04—29；網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016．05—0515：43網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929．V．20160505．1543006html基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51406039)；黑龍江省自然科學(xué)基金(Q02016059)*

6、通訊作者Tel：0451-82518116E-mail：gaojied@hrbeu．edu．cn鰳霸格武；高杰，鄭群．朗鵝-C．等。變凡伺渦輪葉柵葉端小翼的氣動性能．航空學(xué)報(bào)．2016。37(12)：3615—3624GAOJ，ZHENGQ．LIUPF，etalAerodynamicperformanceofavariablegeometryturbinecascadeusingavane—endwinglet．ActaAeronaut／caetAstronaut／caSin，ca，2016，37(12)：3615—3624航空學(xué)報(bào)Dec．2

7、52016VoI．37No．12劉順隆和馮永明等卟’7]對某型船用燃?xì)廨啓C(jī)動力渦輪可調(diào)導(dǎo)葉級的流場結(jié)構(gòu)以及大攻角流動特性進(jìn)行分析，提出可調(diào)導(dǎo)葉宜采用較小轉(zhuǎn)折角的后部加載葉型，而可調(diào)導(dǎo)葉級動葉柵要采用較大負(fù)攻角的氣動設(shè)計(jì)原則。Yue等[83數(shù)值研究了柱面端壁和球面端壁下的變幾何渦輪流場，結(jié)果顯示在可調(diào)靜葉端部，泄漏渦與通道渦之間存在相互干擾，帶來了附加的摻混損失，并且局部球面端壁的采用在結(jié)構(gòu)上對端部間隙設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高了渦輪效率。陳升等[93利用葉柵試驗(yàn)和損失模型分析相結(jié)合的方法對變幾何平面葉柵出口流場進(jìn)行了研究。馬超等口0]對某變幾何渦

8、輪在不同導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角工況下的流場進(jìn)行了ParticleImageVelocimetry(PIV)試驗(yàn)研究，獲得了動葉葉柵流道及其下游區(qū)域詳細(xì)的流場及渦量場數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了