鞠文瑩， 殷林林， 李 鑫

(中國(guó)航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽 110015)

渦輪作為燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件，其可靠性和壽命一直是燃?xì)廨啓C(jī)研制關(guān)鍵問題。近年來，隨著燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)性能的持續(xù)提升，渦輪進(jìn)口溫度不斷升高，但是輪盤材料的耐熱性遠(yuǎn)低于葉片，而且沒有冷卻結(jié)構(gòu)和涂層等熱防護(hù)措施，高溫主流入侵盤腔會(huì)給其可靠性和壽命帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。二次空氣系統(tǒng)可以將壓氣機(jī)的冷卻氣流引入到渦輪部件進(jìn)行冷卻保護(hù)，高效的輪緣封嚴(yán)可以使用較小流量的冷氣抑制高溫主流入侵盤腔，在減小輪盤熱負(fù)荷的同時(shí)可避免引起過大的性能損失。研究表明：減少50%的輪緣密封封嚴(yán)冷氣量，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)效率將提升0.5%，但只要入侵燃?xì)鉂舛仍诒P腔內(nèi)有一定增加，就會(huì)使渦輪盤壽命降低50%[1]。因此，關(guān)于盤腔輪緣封嚴(yán)與燃?xì)馊肭诸I(lǐng)域的持續(xù)研究對(duì)解決渦輪可靠性問題具有重要意義。

目前，關(guān)于輪緣封嚴(yán)和燃?xì)馊肭值难芯慷噌槍?duì)轉(zhuǎn)子上游盤腔，且集中于單進(jìn)、出口盤腔模型，而實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)中渦輪二次空氣系統(tǒng)由多個(gè)封嚴(yán)共同組成，各封嚴(yán)效率和泄漏量會(huì)相互影響，存在對(duì)轉(zhuǎn)子下游盤腔和多個(gè)進(jìn)、出口邊界的盤腔流動(dòng)研究不足的問題。本文以某燃?xì)廨啓C(jī)高壓渦輪及其轉(zhuǎn)子下游盤腔為研究對(duì)象，采用三維數(shù)值仿真方法，研究多邊界盤腔中燃?xì)馊肭謹(jǐn)?shù)值模擬邊界參數(shù)設(shè)置方法，并分析各工況下盤腔內(nèi)輪緣封嚴(yán)與主流交互作用和盤腔內(nèi)部流動(dòng)特性，加強(qiáng)盤腔仿真研究在工程實(shí)際中的應(yīng)用價(jià)值。

1 研究模型與數(shù)值方法

1.1 研究模型

某燃?xì)廨啓C(jī)高、低壓渦輪間輪緣封嚴(yán)處出現(xiàn)故障，以某單級(jí)高壓渦輪及其轉(zhuǎn)子下游盤腔為研究對(duì)象，分析盤腔封嚴(yán)流動(dòng)，模型具體結(jié)構(gòu)如圖1標(biāo)紅部分所示。盤腔除與主流存在氣流交互外，還包括1個(gè)進(jìn)口邊界、2個(gè)出口邊界。封嚴(yán)氣通過下游靜子下腔室(編號(hào)①)通氣孔進(jìn)入該盤腔(編號(hào)④)，對(duì)3處密封結(jié)構(gòu)形成封嚴(yán)效果：① 與主流交界處(編號(hào)⑤)采用雙重輪緣密封(簡(jiǎn)稱封嚴(yán)A)；② 與下游轉(zhuǎn)子前盤腔(編號(hào)②)采用雙齒蜂窩密封(簡(jiǎn)稱封嚴(yán)B)；③ 與下游轉(zhuǎn)子下方腔室(編號(hào)③)采用三齒蜂窩密封(簡(jiǎn)稱封嚴(yán)C)。盤腔進(jìn)口通氣孔(簡(jiǎn)稱盤腔進(jìn)口)采用等面積環(huán)縫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。表1為高壓渦輪葉柵參數(shù)。盤腔幾何參數(shù)如表2所示。

圖1 物理模型示意圖

表1 高壓渦輪葉柵參數(shù)

表2 盤腔幾何參數(shù)

1.2 數(shù)值方法與網(wǎng)格

采用商用軟件對(duì)研究模型劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，渦輪出口增加延長(zhǎng)段以保證計(jì)算準(zhǔn)確性，盤腔簡(jiǎn)化局部導(dǎo)角區(qū)域，忽略螺栓結(jié)構(gòu)。盤腔劃分在轉(zhuǎn)子域內(nèi)，與主流交界面處網(wǎng)格數(shù)目和節(jié)點(diǎn)分布相同，即網(wǎng)格周向、軸向節(jié)點(diǎn)完全匹配，以減小插值帶來的誤差。靠近壁面處進(jìn)行加密處理，第一層網(wǎng)格高度為0.005 mm，動(dòng)葉葉頂間隙為1%動(dòng)葉葉高，單通道網(wǎng)格總節(jié)點(diǎn)數(shù)552萬，其中，靜子網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)40萬，轉(zhuǎn)子網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)91萬，盤腔網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)421。計(jì)算域網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格示意圖

數(shù)值模擬采用商用軟件求解三維定常雷諾平均N-S方程，由于盤腔在轉(zhuǎn)子下游，定常仿真交界面數(shù)據(jù)處理不影響轉(zhuǎn)子內(nèi)流場(chǎng)對(duì)盤腔作用的捕捉。湍流模型采用SST模型，第一層網(wǎng)格高度設(shè)置0.005 mm。對(duì)流項(xiàng)選用高階模式，湍流項(xiàng)選用一階模式，主流道和盤腔內(nèi)工質(zhì)均以變比熱模擬燃?xì)?。壁面設(shè)置無滑移絕熱邊界，周向設(shè)置周期性邊界條件。動(dòng)葉葉頂設(shè)置反向旋轉(zhuǎn)，以保持上端壁在絕對(duì)坐標(biāo)系保持靜止?fàn)顟B(tài)。盤腔壁面分為3個(gè)部分：壁面1由高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件形成，在轉(zhuǎn)子域內(nèi)相對(duì)靜止以保持其在絕對(duì)坐標(biāo)系下與高壓渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同；壁面2由低壓渦輪靜子部件形成，設(shè)置反向旋轉(zhuǎn)以保持其在絕對(duì)坐標(biāo)系下處于靜止?fàn)顟B(tài)；壁面3由低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件形成，設(shè)置轉(zhuǎn)速以保持其在絕對(duì)坐標(biāo)系下與低壓渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同。數(shù)值模擬以速度和壓力、流量方程均方根(Root Mean Square,RMS)小于10-5或小于10-4并呈現(xiàn)周期性波動(dòng)作為收斂判據(jù)。

1.3 邊界條件

主流進(jìn)口邊界條件設(shè)置為總溫、總壓，并且軸向進(jìn)氣，出口邊界條件設(shè)置靜壓。盤腔進(jìn)口設(shè)置總溫邊界條件和總壓或流量邊界條件，出口邊界設(shè)置靜壓或流量參數(shù)控制，以對(duì)比分析邊界條件的影響，設(shè)計(jì)工況詳細(xì)邊界條件如表3所示。文中壓力、溫度、質(zhì)量流量數(shù)值均相對(duì)盤腔進(jìn)口截面參數(shù)無量綱，即

(1)

(2)

(3)

式中:P、T、m分別為壓力、溫度和質(zhì)量流量；變量上方的“-”表示經(jīng)過無量綱化的參數(shù)；上角標(biāo)“*”表示滯止參數(shù)；下角標(biāo)“0”表示盤腔進(jìn)口截面。

表3 仿真邊界條件

2 結(jié)果分析和討論

2.1 盤腔仿真邊界條件影響分析

燃?xì)廨啓C(jī)常規(guī)設(shè)計(jì)方法中二次空氣系統(tǒng)由于體系龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多采用一維網(wǎng)格計(jì)算求解出各腔室的壓力、流量等參數(shù)，然而一維計(jì)算得到的腔室壓力和流量參數(shù)關(guān)系通常與三維仿真結(jié)果存在偏差，在盤腔與主流的三維仿真分析中盤腔邊界條件的選取對(duì)封嚴(yán)效果的工程分析影響重大，對(duì)多邊界盤腔中各封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)氣分配影響尤其顯著。

下面按照空氣系統(tǒng)一維計(jì)算參數(shù)，在盤腔進(jìn)、出口分別設(shè)置以下邊界條件，對(duì)比盤腔邊界條件對(duì)仿真結(jié)果的影響。

① CASE1：盤腔進(jìn)、出口邊界條件均設(shè)置總壓。

② CASE2：盤腔進(jìn)、出口邊界條件均設(shè)置流量。

③ CASE3：盤腔進(jìn)口邊界條件設(shè)置總壓，出口邊界條件設(shè)置流量。

經(jīng)數(shù)值模擬，CASE1收斂速度最快，RMS小于2E-5，CASE2收斂速度最慢，CASE2和CASE3數(shù)值模擬RMS均小于1E-5，CASE1、CASE2、CASE3流量方程守恒誤差分別為0.6%、0.3%、0.7%。

表4為3種盤腔邊界條件下的三維仿真結(jié)果。盤腔進(jìn)、出口采用壓力邊界條件時(shí)(CASE1)，盤腔進(jìn)口截面流量參數(shù)僅為設(shè)計(jì)值的0.663倍，表明盤腔進(jìn)口通氣孔三維仿真流阻較一維計(jì)算偏大。封嚴(yán)A封嚴(yán)流量為-0.232，負(fù)值表示盤腔與主流交界面的凈流量為主流進(jìn)入盤腔方向，而在CASE2和CASE3中該流量數(shù)值為正，表示盤腔與主流交界面的凈流量為封嚴(yán)冷氣進(jìn)入主流道方向。CASE1主流入侵盤腔會(huì)增大渦輪盤熱負(fù)荷，對(duì)渦輪可靠性和壽命造成威脅，由此可見在工程應(yīng)用中選擇合適的封嚴(yán)效果評(píng)估方法的重要性。一維設(shè)計(jì)封嚴(yán)A、封嚴(yán)B、封嚴(yán)C封嚴(yán)氣流量分配比例為0.013∶0.760∶0.227，CASE1三維仿真結(jié)果封嚴(yán)流量分配比例為-0.367∶0.959∶0.412，可見與一維計(jì)算相比，三維仿真封嚴(yán)A流阻偏大，封嚴(yán)B、封嚴(yán)C流阻偏小。CASE2和CASE3進(jìn)口采用流量邊界，盤腔進(jìn)口無量綱壓力分別為1.110和1.112，高于一維設(shè)計(jì)參數(shù)。燃機(jī)中該封嚴(yán)冷氣引自壓氣機(jī)，對(duì)應(yīng)腔壓無量綱值為1.106，小于CASE2、CASE3盤腔進(jìn)口壓力，不符合氣體會(huì)自動(dòng)從高壓區(qū)流向低壓區(qū)的物理規(guī)律。

表4 3種盤腔邊界條件三維仿真結(jié)果

圖3為CASE1中盤腔與主流交界面處的總溫、徑向速度云圖，其中徑向速度為正表示氣流從盤腔流入主流道，負(fù)值表示從主流道流入盤腔?？梢娊唤缑鏌o量綱總溫在1.63～1.74范圍內(nèi)，明顯高于冷氣總溫。沿周向取3個(gè)截面顯示盤腔內(nèi)部速度矢量，如圖4所示，其中圖例表示氣體無量綱總溫，3個(gè)截面氣體溫度和速度分布接近，燃?xì)庠陟o盤側(cè)從主流道進(jìn)入盤腔，一部分燃?xì)庠趧?dòng)盤側(cè)流回主流道，另一部分經(jīng)過封嚴(yán)A進(jìn)入盤腔深處，與上文通過交界面氣體流量為負(fù)值相對(duì)應(yīng)。主流深入盤腔內(nèi)部造成封嚴(yán)A兩齒中間區(qū)域低壓渦輪靜子部分壁面流體溫度較高，仿真現(xiàn)象與該燃?xì)廨啓C(jī)渦輪故障表現(xiàn)位置吻合，證明該方法的可靠性。

圖3 CASE1盤腔與主流交界面云圖

CASE2和CASE3算例中Plan2截面盤腔內(nèi)部速度矢量如圖5所示，此時(shí)盤腔流入主流的封嚴(yán)氣流量為正，但數(shù)值較小，輪緣封嚴(yán)回流渦仍以主流占據(jù)主導(dǎo)地位，封嚴(yán)冷氣僅能在封嚴(yán)A外側(cè)齒處阻止主流深入盤腔內(nèi)部，所以封嚴(yán)A低壓渦輪靜子部分壁面流體溫度較低，與該燃機(jī)渦輪故障表現(xiàn)不一致，進(jìn)一步驗(yàn)證采用CASE2、CASE3仿真結(jié)果不能準(zhǔn)確表現(xiàn)實(shí)際流場(chǎng)。所以對(duì)于該燃機(jī)的仿真分析，盤腔采用壓力邊界條件計(jì)算更合理。

圖5 Plan2盤腔內(nèi)速度矢量(圖例表示溫度)

2.2 變壓比下的盤腔流動(dòng)分析

表4中CASE1、CASE2、CASE3盤腔進(jìn)口總壓不同，但盤腔與主流交界面處總壓基本一致，主流交界面處總壓主要由渦輪膨脹比決定，盤腔進(jìn)口總壓變化導(dǎo)致盤腔進(jìn)口與交界面的壓比變化，進(jìn)而影響封嚴(yán)效果。改變盤腔進(jìn)口總壓，保持封嚴(yán)B、封嚴(yán)C出口靜壓不變，分析盤腔流動(dòng)特性和封嚴(yán)效果。

表5為變壓比下的盤腔仿真結(jié)果參數(shù)。隨著盤腔進(jìn)口總壓增大，盤腔與主流交界面處總壓基本不變，但靜壓略有增大，CASE11比CASE4盤腔進(jìn)口總壓增加了38%，但交界面靜壓僅增大0.5%，同時(shí)主流入侵盤腔的流量逐漸減少，輪緣封嚴(yán)冷氣量流量逐漸增加。封嚴(yán)B、封嚴(yán)C的封嚴(yán)流量逐漸增大，由于出口靜壓不變，流速增加，所以封嚴(yán)B、封嚴(yán)C的出口總壓略有增大。定義封嚴(yán)壓比為

(4)

式中：π為封嚴(yán)壓比。下角標(biāo)“0”表示盤腔進(jìn)口截面，下角標(biāo)“1”表示封嚴(yán)氣出口截面，對(duì)于封嚴(yán)A為盤腔與主流交界面，對(duì)于封嚴(yán)B、封嚴(yán)C分別為出口截面。

表5 變壓比下的盤腔仿真結(jié)果參數(shù)

圖6為封嚴(yán)A、封嚴(yán)B、封嚴(yán)C壓比隨著盤腔進(jìn)口總壓變化曲線。隨著盤腔進(jìn)口總壓增大，封嚴(yán)A、封嚴(yán)B、封嚴(yán)C的壓比基本呈線性增大。

圖6 封嚴(yán)壓比隨盤腔進(jìn)口總壓變化曲線

CASE4盤腔進(jìn)口無量綱總壓為0.909，盤腔進(jìn)口流量為0，此時(shí)封嚴(yán)A主流侵入盤腔內(nèi)部，無量綱流量為0.695，經(jīng)過封嚴(yán)B、封嚴(yán)C流出。隨著盤腔進(jìn)口總壓增大，封嚴(yán)A壓比逐漸增大，主流侵入盤腔流量降低；同時(shí)封嚴(yán)B、封嚴(yán)C壓比增加，封嚴(yán)流量增加，所以盤腔進(jìn)口流量增加，進(jìn)入盤腔的封嚴(yán)氣和入侵的主流均經(jīng)封嚴(yán)B、封嚴(yán)C流出。CASE1和CASE7盤腔進(jìn)口總壓高于主流交界面處總壓，但交界面凈流量仍為負(fù)值，即輪緣封嚴(yán)仍是主流入侵盤腔狀態(tài)，這是因?yàn)楸P腔內(nèi)部壓力由盤腔進(jìn)口總壓和封嚴(yán)A、封嚴(yán)B、封嚴(yán)C出口總壓綜合作用，此時(shí)封嚴(yán)B、封嚴(yán)C壓比泄漏流量高于盤腔進(jìn)口流量。當(dāng)腔進(jìn)口無量綱總壓為1.091時(shí)(CASE8)，進(jìn)入主流的封嚴(yán)氣流量變成正值，封嚴(yán)冷氣開始表現(xiàn)出封嚴(yán)效果。繼續(xù)增大盤腔進(jìn)口總壓，盤腔進(jìn)口流量增大，經(jīng)過封嚴(yán)A進(jìn)入主流的封嚴(yán)氣流量逐漸增大。

隨著盤腔進(jìn)口總壓增大，封嚴(yán)A、封嚴(yán)B、封嚴(yán)C壓比增大，封嚴(yán)流量增加，但封嚴(yán)A、封嚴(yán)B、封嚴(yán)C封嚴(yán)流量變化梯度不同。圖7為封嚴(yán)流量隨封嚴(yán)壓比變化曲線。由圖7可知，封嚴(yán)A流量變化梯度最大，封嚴(yán)B次之，封嚴(yán)C變化梯度最小。當(dāng)封嚴(yán)A流量為負(fù)值，即主流入侵盤腔時(shí)，隨著壓比增大，封嚴(yán)A、封嚴(yán)B、封嚴(yán)C流量增加逐漸減緩；當(dāng)封嚴(yán)A流量達(dá)到正值，即封嚴(yán)冷氣進(jìn)入主流道后，封嚴(yán)A流量隨壓比增大基本保持線性增加，封嚴(yán)B、封嚴(yán)C流量變化很小。

圖7 封嚴(yán)流量隨封嚴(yán)壓比變化曲線

CASE4、CASE5分別是盤腔進(jìn)氣為0和最小進(jìn)氣量下的燃?xì)馊肭智闆r，CASE7、CASE8分別是主流入侵盤腔和封嚴(yán)氣進(jìn)入主流的臨界情況，CASE11是最大封嚴(yán)氣流量進(jìn)入主流道情況，以該5個(gè)典型情況分析盤腔流動(dòng)特性。圖8為典型算例中盤腔與主流交界面徑向速度分布云圖。各算例中盤腔與主流交界面徑向速度分布方式不改變，流體方向在動(dòng)盤側(cè)呈現(xiàn)周向交替分布，主流在壓力面?zhèn)攘魅氡P腔，盤腔內(nèi)流體由槽道中間流入主流。隨著盤腔進(jìn)口封嚴(yán)氣流量增加，從盤腔流入主流道(徑向速度為正值)區(qū)域面積增加。CASE4靜盤側(cè)徑向速度均為負(fù)值，CASE11中從盤腔流入主流道的區(qū)域已經(jīng)擴(kuò)展到靜盤側(cè)。交界面流體徑向流向由盤腔內(nèi)和主流壓差決定，主流壓力高于盤腔內(nèi)壓力時(shí)燃?xì)庥芍魍ǖ懒魅氡P腔，主流壓力低于盤腔內(nèi)壓力時(shí)流體由盤腔內(nèi)流入主流。圖9為CASE4轉(zhuǎn)子域主流道內(nèi)不同葉高截面總壓云圖。黑線標(biāo)示盤腔交界面軸向位置，徑向靠近輪轂過程中，葉背側(cè)低壓區(qū)和尾跡低壓區(qū)逐漸擴(kuò)大，葉盆側(cè)流體形成高壓區(qū)域并在靜盤側(cè)流入盤腔內(nèi)，盤腔內(nèi)回流通過通道中間低壓區(qū)在動(dòng)盤側(cè)流回主流道。

圖8 盤腔與主流交界面徑向速度分布云圖

圖9 CASE4轉(zhuǎn)子域主流道不同葉高截面總壓云圖

圖10為盤腔內(nèi)Plan2截面靜壓云圖。受到主流交界面壓力分布周向不均勻影響，Plan1、Paln2、Plan3壓力數(shù)值略有差異，但分布方式一致。由于主流交界面壓力高于封嚴(yán)B、封嚴(yán)C出口壓力，盤腔內(nèi)靜壓徑向方向梯度明顯，整體上隨半徑減小壓力逐漸降低，經(jīng)過封嚴(yán)B、封嚴(yán)C后明顯降低，但盤腔內(nèi)軸向方向壓力分布均勻，隨著盤腔進(jìn)口壓力增大，盤腔內(nèi)部壓力逐漸升高。輪緣封嚴(yán)附近壓力場(chǎng)分布更復(fù)雜，主流回流渦核心壓力較低而輪緣封嚴(yán)附近壓力較高，CASE5輪緣封嚴(yán)徑向外側(cè)壓力高于內(nèi)側(cè)，主流入侵盤腔內(nèi)部，CASE11輪緣封嚴(yán)徑向外側(cè)壓力低于內(nèi)側(cè)，封嚴(yán)氣進(jìn)入主流，CASE7、CASE8是主流入侵盤腔和封嚴(yán)氣進(jìn)入主流的臨界情況，但兩算例中輪緣封嚴(yán)壓力場(chǎng)分布十分接近，且輪緣封嚴(yán)徑向外側(cè)壓力高于內(nèi)側(cè)，說明在封嚴(yán)效果臨界狀態(tài)附近，輪緣封嚴(yán)壓力分布難以用于判斷主流是否入侵盤腔內(nèi)部。盡管二者壓力分布接近，但內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)差異巨大。

圖10 盤腔內(nèi)Plan2截面靜壓云圖

圖11為盤腔內(nèi)Plan2截面流線示意圖，圖例表示流體溫度。CASE5主流經(jīng)過輪緣封嚴(yán)入侵盤腔內(nèi)部，形成一個(gè)大尺寸渦結(jié)構(gòu)，幾乎占據(jù)整個(gè)盤腔內(nèi)部，動(dòng)盤側(cè)流體受離心力作用徑向向上流動(dòng)，靜盤側(cè)流體則向下流動(dòng)并持續(xù)補(bǔ)充到動(dòng)盤側(cè)，渦流外層流速較大而核心流體速度極小。進(jìn)口封嚴(yán)氣對(duì)該大尺寸渦結(jié)構(gòu)流動(dòng)造成阻礙，在進(jìn)口附近形成一個(gè)小尺寸反向渦，隨著封嚴(yán)氣流量增加，進(jìn)口附近小尺寸渦加強(qiáng)進(jìn)一步阻塞大渦流動(dòng)，CASE7、CASE8中大尺寸渦結(jié)構(gòu)在進(jìn)口上下分裂成兩個(gè)方向相同的渦流，進(jìn)口封嚴(yán)氣隨渦流沿靜盤側(cè)向下流動(dòng)。封嚴(yán)氣流量繼續(xù)增加，進(jìn)入盤腔的封嚴(yán)氣馬赫數(shù)增大，進(jìn)口附近的小尺寸反向渦尺寸增大到動(dòng)盤側(cè)，使動(dòng)盤側(cè)局部流體徑向向下流動(dòng)，如圖12所示。

圖11 盤腔內(nèi)Plan2截面流線示意圖

CASE5主流入侵盤腔內(nèi)部，主流回流渦動(dòng)盤側(cè)流體和輪緣封嚴(yán)齒間流體受到動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)做功，溫度較主流進(jìn)一步升高，經(jīng)過輪緣封嚴(yán)進(jìn)入盤腔內(nèi)部后流體溫度降低，如圖11(a)所示。增大盤腔進(jìn)口總壓，封嚴(yán)氣流量增加，CASE7進(jìn)入盤腔的封嚴(yán)冷氣與入侵盤腔內(nèi)部的主流摻混，盤腔內(nèi)流體溫度明顯低于CASE5，但主流回流渦和輪緣封嚴(yán)齒間仍被主流占據(jù)且保持較高溫度。CASE8輪緣封嚴(yán)流量為正值，即封嚴(yán)氣可以流入主流道，如圖11(c)所示。此時(shí)封嚴(yán)氣占據(jù)盤腔內(nèi)部和輪緣封嚴(yán)齒間區(qū)域，將入侵的主流阻塞在輪緣封嚴(yán)外齒徑向以上，輪緣封嚴(yán)開始起到溫度保護(hù)效果，盤腔內(nèi)部和輪緣封嚴(yán)齒間區(qū)域較CASE7明顯降低，所以輪緣封嚴(yán)齒間流體溫度是判斷主流燃?xì)馐欠袢肭直P腔內(nèi)部的重要參數(shù)，在燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)中，在該區(qū)域布置溫度測(cè)點(diǎn)有利于準(zhǔn)確判斷燃?xì)馊肭智闆r。繼續(xù)增大封嚴(yán)流量，封嚴(yán)氣經(jīng)過輪緣封嚴(yán)外齒沿動(dòng)盤側(cè)流動(dòng)，可以對(duì)輪緣封嚴(yán)外齒形成溫度保護(hù)，并與主流回流渦摻混降低該區(qū)域溫度。

圖12 Plan2截面盤腔進(jìn)口附近馬赫數(shù)分布和速度矢量

3 結(jié)論

以某單級(jí)高壓渦輪及其轉(zhuǎn)子下游多邊界盤腔為研究對(duì)象，采用三維數(shù)值仿真方法，研究多邊界盤腔中燃?xì)馊肭謹(jǐn)?shù)值模擬邊界參數(shù)設(shè)置方法，并分析各工況下盤腔內(nèi)輪緣封嚴(yán)與主流交互作用以及盤腔內(nèi)部流動(dòng)特性，得出以下結(jié)論：

① 多邊界盤腔的仿真邊界條件需要使用一維網(wǎng)格計(jì)算求解出的二次空氣系統(tǒng)各腔室壓力、流量等參數(shù)時(shí)，邊界條件選擇會(huì)影響燃?xì)馊肭址抡娼Y(jié)果，盤腔邊界采用壓力邊界條件的仿真結(jié)果更符合流動(dòng)情況。

② 對(duì)于轉(zhuǎn)子下游盤腔，葉盆側(cè)流體形成高壓區(qū)域并在靜盤側(cè)流入盤腔內(nèi)，盤腔內(nèi)回流通過槽道中間低壓區(qū)在動(dòng)盤側(cè)流回主流道。盤腔進(jìn)口壓力變化會(huì)改變盤腔進(jìn)口附近的渦系結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響封嚴(yán)效果。

③ 多邊界盤腔仿真中，輪緣封嚴(yán)流量受盤腔進(jìn)口壓力變化影響顯著而盤腔內(nèi)部封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)流量隨盤腔進(jìn)口壓力變化較小。主流燃?xì)馊肭直P腔時(shí)，各封嚴(yán)流量隨盤腔進(jìn)口壓力增加而增大，但梯度逐漸減小。當(dāng)封嚴(yán)氣進(jìn)入主流后，輪緣封嚴(yán)流量隨盤腔進(jìn)口壓力增大基本呈線性增加，而盤腔內(nèi)部封嚴(yán)流量趨于穩(wěn)定。

④ 在封嚴(yán)效果處于臨界狀態(tài)(最小封嚴(yán)流量)附近時(shí)，盤腔內(nèi)壓力分布相近但流場(chǎng)和溫度場(chǎng)差異巨大，此時(shí)輪緣封嚴(yán)壓力分布難以用于判斷主流是否入侵盤腔內(nèi)部，輪緣封嚴(yán)齒間流體溫度是判斷主流燃?xì)馐欠袢肭直P腔內(nèi)部的重要參數(shù)。