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...

为防止燃气入侵涡轮盘腔,提高运行安全性,对盘腔和轮缘密封间隙内非定常流动机理进行了深入研究。采用数值求解三维URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes)和SST湍流模型的方法,研究了涡轮径向轮缘密封的非定常燃气入侵和封严效率。数值计算的径向轮缘密封的封严效率和环量比与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。分析了6种冷气流量下径向轮缘密封的非定常压力分布、封严效率和燃气入侵与冷气出流特性。研究表明:冷气流量的增加阻止了径向轮缘密封处的燃气入侵和强化了冷气出流,径向轮缘密封盘腔内的封严效率随着冷气流量的增加而增加;动盘附近的封严效率高于静盘;入侵燃气基本被限制在径向轮缘密封的间隙区域。径向轮缘密封间隙出口处的主流周向时均压力随着冷气流量的增加而增加,周向时均压力最大值与最小值的差值随着冷...

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。

径向轮缘密封结构在增大主流燃气入侵阻力同时也会阻碍封严冷气的向上输送,为此提出了一种在径向轮缘密封的径向内齿上打孔来改善其封严性能的设计思路。针对Lisa1.5级高压涡轮实验台,设计了一种传统和五种带孔新型的径向轮缘密封,采用数值模拟方法评定了圆柱孔孔径D和孔心距Sh对封严性能的影响,并揭示了其改变封严特性的流动机理。结果表明:在设计封严冷气量工况下,相较于传统的径向轮缘密封结构,D为0.375mm和0.5mm的圆柱孔状径向轮缘密封具有更好的封严性能,其喷射的冷气与主流冷气混合后形成"屏障",阻止燃气的进一步入侵,使得封严效率分别提高大约2%和4%;Sh为0.75mm和1.825mm圆柱孔状径向轮缘密封可以提高封严效率4%左右,但Sh为0.75mm的密封结构会在盘腔内发生回流现象,导致燃气扩散,而Sh为1.825mm的密封结构由于圆柱孔远离燃气率先入侵位置,可...

为研究转子叶片前缘倒角结构对涡轮轮缘密封性能的影响机制,在不同封严流量下,对转子前缘带倒角和不带倒角的轮缘密封装置进行数值模拟。研究结果表明:转子前缘倒角结构通过改变前缘附近压力势场从而对主流燃气入侵和封严出流冷气与主流的干涉产生影响。增加倒角结构有利于减弱主流高温燃气入侵的程度,在低封严流量下,最大可使得涡轮盘腔封严效率提高7%;倒角结构削弱了由封严间隙涡和马蹄涡形成的通道涡强度,降低封严冷气与主流干涉造成的气动损失。当封严流量为主流流量的1.3%时,带倒角装置的涡轮级气动效率增大2.1%。

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。

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。