1.5級(jí)燃?xì)馔钙捷喚壝芊夥嵌ǔＡ鲃?dòng)特征和封嚴(yán)效率的數(shù)值研究

雷隆,叢慶豐,郭粲,李志剛,李軍

(西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所,710049,西安)

在燃?xì)廨啓C(jī)中,主流高溫燃?xì)馔ㄟ^(guò)動(dòng)靜間隙入侵透平盤腔,入侵燃?xì)鈺?huì)增加輪盤熱應(yīng)力和熱負(fù)荷,降低透平部件工作壽命。在盤腔輪緣處設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu),并將來(lái)自壓氣機(jī)的冷氣引入盤腔,是抑制燃?xì)馊肭趾屠鋮s輪盤壁面的主要措施。受到主流周向壓力、泵吸效應(yīng)和輪緣三維非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)等影響,輪緣密封間隙處的流動(dòng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。闡明和理解透平盤腔輪緣密封處的流動(dòng)機(jī)理,對(duì)于提高輪緣密封性能以及封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有十分重要的意義。

Owen等[1-4]將燃?xì)馊肭謾C(jī)理歸納為旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)入侵(RI)和外部誘導(dǎo)入侵(EI)兩種,對(duì)輪緣密封間隙處的流動(dòng)行為進(jìn)行簡(jiǎn)化,提出了孔板流動(dòng)模型,并提出了RI和EI的最小封嚴(yán)流量的經(jīng)驗(yàn)公式。Scobie等[5]研究表明,EI對(duì)燃?xì)馊肭值挠绊懜鼮轱@著。Green等[6]在帶有導(dǎo)葉和動(dòng)葉的透平實(shí)驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展了前盤腔燃?xì)馊肭盅芯抗ぷ?證實(shí)了主流非軸對(duì)稱的周向壓力分布對(duì)燃?xì)馊肭钟酗@著影響。

研究人員認(rèn)為,盤腔輪緣密封間隙上方的非定常周向壓力分布主要是由靜葉尾跡高壓區(qū)和動(dòng)葉前緣滯止區(qū)相互干涉作用導(dǎo)致。陶加銀等[7]數(shù)值計(jì)算了不同冷氣流量下的非定常封嚴(yán)效率分布,發(fā)現(xiàn)靜葉尾跡和動(dòng)葉前緣附近壓力勢(shì)場(chǎng)的非定常干涉效應(yīng)會(huì)強(qiáng)化主流燃?xì)獾娜肭帧reen等[6]認(rèn)為,動(dòng)葉會(huì)削弱導(dǎo)葉尾跡附近的非軸對(duì)稱壓力分布,因而動(dòng)葉的存在提高了封嚴(yán)效率。Hills等[8]認(rèn)為,動(dòng)葉并不能抑制燃?xì)馊肭?相反動(dòng)葉會(huì)增加燃?xì)馊肭值膹?qiáng)度。Chew等[9]研究了無(wú)動(dòng)葉時(shí)導(dǎo)葉位置對(duì)燃?xì)馊肭值挠绊?結(jié)果表明,導(dǎo)葉逐漸遠(yuǎn)離輪緣間隙時(shí),燃?xì)馊肭謴?qiáng)度減弱。Bohn等[10-11]得出了相同結(jié)論,并指出動(dòng)葉對(duì)燃?xì)馊肭忠灿酗@著影響,影響程度與輪緣密封結(jié)構(gòu)相關(guān)。Hualca等[12]發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有動(dòng)葉時(shí),導(dǎo)葉位置對(duì)于燃?xì)馊肭謳缀鯖](méi)有影響。

Jakoby等[13]通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),主流周向速度與燃?xì)馊肭謴?qiáng)度有關(guān),降低主流周向速度有利于減少燃?xì)馊肭帧ao等[14-16]通過(guò)大渦模擬(LES)數(shù)值方法研究發(fā)現(xiàn),輪緣密封間隙處存在非定常流動(dòng)特征,在密封間隙處產(chǎn)生了大型旋渦結(jié)構(gòu),旋渦結(jié)構(gòu)的周向速度低于葉片周向速度。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為這種現(xiàn)象是由主流和盤腔之間的周向剪切引起的Kelvin-Helmholtz(K-H)不穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)所導(dǎo)致。Horwood等[17-18]發(fā)現(xiàn),輪緣密封間隙附近的大規(guī)模K-H不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)是由主流高溫燃?xì)夂头鈬?yán)冷氣的交界面處流體相互剪切造成,并且與燃?xì)馊肭值膹?qiáng)度相關(guān),這些結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與密封結(jié)構(gòu)和冷氣流速有關(guān)。Pogorelov等[19]采用LES方法數(shù)值求解了兩種輪緣密封結(jié)構(gòu)整周渦輪級(jí)的非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu),在輪緣密封間隙處觀察到了K-H不穩(wěn)定性渦系。Horwood等[20]對(duì)斜向槽輪緣密封結(jié)構(gòu)開(kāi)展了數(shù)值研究,同樣在輪緣密封間隙處觀察到主流與封嚴(yán)冷氣相互剪切形成的不穩(wěn)定性流動(dòng)結(jié)構(gòu)。白濤等[21]通過(guò)unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes(URANS)方法對(duì)輪緣密封間隙處K-H旋渦的產(chǎn)生機(jī)制和對(duì)輪緣密封的影響進(jìn)行了分析。

輪緣密封幾何結(jié)構(gòu)對(duì)燃?xì)馊肭至鲃?dòng)也有著顯著影響,研究人員設(shè)計(jì)了多種新型輪緣密封結(jié)構(gòu)以期提高封嚴(yán)性能。Popovíc等[22]研究了11種具有代表性的輪緣密封結(jié)構(gòu),研究發(fā)現(xiàn)尖齒和勾狀齒結(jié)構(gòu)提高了封嚴(yán)效果,這些密封特征產(chǎn)生了內(nèi)部再循環(huán)區(qū)域,限制了燃?xì)膺M(jìn)一步入侵到輪盤空間中。高慶等[23]對(duì)簡(jiǎn)單軸向密封結(jié)構(gòu)改型設(shè)計(jì)了4種密封結(jié)構(gòu),研究發(fā)現(xiàn)傾斜間隙有著較高的封嚴(yán)性能,而漸擴(kuò)間隙有效減小冷氣出流產(chǎn)生的氣動(dòng)損失。Scobie等[24]設(shè)計(jì)了一種翼型輪緣密封結(jié)構(gòu),減弱了主流入侵燃?xì)獾闹芟驂毫Σ粚?duì)稱性,有效降低了燃?xì)馊肭值膹?qiáng)度。高慶等[25]將徑向輪緣密封的封嚴(yán)齒上端面設(shè)計(jì)為蜂窩狀結(jié)構(gòu),數(shù)值模擬結(jié)果表明蜂窩孔結(jié)構(gòu)可以增大燃?xì)馊肭值牧鲃?dòng)阻力,提高封嚴(yán)效率。程舒嫻等[26]設(shè)計(jì)了4種不同的周向槽和3種不同的軸向槽輪緣密封結(jié)構(gòu),數(shù)值研究了不同槽結(jié)構(gòu)輪緣密封的封嚴(yán)性能,指出槽結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了密封內(nèi)部流動(dòng)渦的作用,增大了入侵燃?xì)獾牧鲃?dòng)阻力,因而提高了封嚴(yán)性能。

目前,多數(shù)研究人員在實(shí)驗(yàn)工況下對(duì)模型級(jí)輪緣密封結(jié)構(gòu)開(kāi)展研究。針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)輪緣密封,在實(shí)際運(yùn)行工況下開(kāi)展的研究工作較少。本文針對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)所采用的4級(jí)透平葉柵中的第一級(jí)和第二級(jí)靜葉(共1.5級(jí))自主設(shè)計(jì)前后盤腔輪緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu),在燃?xì)馔钙綄?shí)際運(yùn)行工況下開(kāi)展輪緣密封非定常封嚴(yán)效率和流動(dòng)結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究,揭示主流燃?xì)夂头鈬?yán)冷氣相互作用下的燃?xì)馊肭謾C(jī)理和輪緣間隙內(nèi)的流動(dòng)特征,為提高燃?xì)廨啓C(jī)輪緣封嚴(yán)性能和優(yōu)化封嚴(yán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型和數(shù)值方法

1.1 計(jì)算模型

針對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)所采用的4級(jí)透平葉柵中的第一級(jí)和第二級(jí)靜葉(共1.5級(jí))自主設(shè)計(jì)了前后盤腔輪緣密封結(jié)構(gòu),在設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)參考了GE某型燃?xì)廨啓C(jī)[27]的輪緣密封結(jié)構(gòu)。圖1給出了1.5級(jí)燃?xì)馔钙捷喚壝芊庥?jì)算模型,主流通道內(nèi)的3列葉柵均為扭葉片,表1給出了中徑面上葉柵的幾何參數(shù)。

圖1 1.5級(jí)燃?xì)馔钙捷喚壝芊庥?jì)算模型Fig.1 Computational model of 1.5-stage gas turbine

表1 1.5級(jí)透平葉柵幾何參數(shù)

圖2給出了1.5級(jí)燃?xì)馔钙捷喚壝芊饨Y(jié)構(gòu)。圖中,R、Z分別代表徑向、軸向方向。前盤腔采用雙重徑向輪緣封嚴(yán)結(jié)構(gòu),上下兩級(jí)密封齒將盤腔劃分為3個(gè)腔室,沿徑向向內(nèi)分別記為外腔、緩沖腔和內(nèi)腔;后盤腔采用單級(jí)徑向密封齒結(jié)構(gòu),盤腔區(qū)域沿徑向向內(nèi)被密封齒劃分為外腔和內(nèi)腔。表2給出了輪緣密封結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)。表中:下標(biāo)f、a分別表示前盤腔和后盤腔,ax、rad分別表示軸向、徑向,overlap表示封嚴(yán)齒重疊;上標(biāo)1、2分別表示第1、2級(jí)密封齒;b為輪緣半徑。

圖2 1.5級(jí)燃?xì)馔钙捷喚壝芊饨Y(jié)構(gòu)Fig.2 Rim seal configuration of 1.5-stage gas turbine

表2 輪緣密封結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分和無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用NUMECA AutoGrid5生成多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。對(duì)近壁面處進(jìn)行加密以滿足SSTk-ω湍流模型對(duì)y+≈1的要求,所有區(qū)域網(wǎng)格的最小正交角大于20°,最大長(zhǎng)寬比小于3 000,最大膨脹比小于2.8。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),通過(guò)等比例地增加或減少節(jié)點(diǎn)數(shù)生成了3種不同疏密的網(wǎng)格,節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為296.6萬(wàn)、485.5萬(wàn)和687.7萬(wàn)。

定義封嚴(yán)冷氣質(zhì)量流量比M

(1)

圖3 主流通道和轉(zhuǎn)靜盤腔區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格Fig.3 Computational grid of the 1.5-stage axial turbine with rim seal

定義無(wú)量綱封嚴(yán)效率εc

εc=(cs-ca)/(c0-ca)

(2)

式中:cs為參考點(diǎn)處CO2體積分?jǐn)?shù);c0為冷氣進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù);ca為主流進(jìn)口CO2體積分?jǐn)?shù)。

在封嚴(yán)冷氣質(zhì)量流量比M=1%工況下開(kāi)展網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證工作,圖4給出了不同網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)下前后盤腔內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處封嚴(yán)效率的變化。可以看出:在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2和3處,3種網(wǎng)格對(duì)封嚴(yán)效率的預(yù)測(cè)結(jié)果相差較小;在后盤腔監(jiān)測(cè)點(diǎn)4處,以687.7萬(wàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)的網(wǎng)格預(yù)測(cè)結(jié)果為基準(zhǔn),296.6萬(wàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)的網(wǎng)格對(duì)封嚴(yán)效率的預(yù)測(cè)明顯偏大,485.5萬(wàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果更好,相對(duì)誤差為2.8%。當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到485.5萬(wàn)時(shí),計(jì)算誤差已足夠小,因而本文采用485.5萬(wàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)的網(wǎng)格開(kāi)展后續(xù)研究,其中主流葉柵通道、前盤腔和后盤腔的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為227.9萬(wàn)、162.6萬(wàn)和95萬(wàn)。

圖4 不同網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)下盤腔內(nèi)的時(shí)均封嚴(yán)效率變化Fig.4 Time-averaged sealing effectiveness in cavities at different grid-point numbers

1.3 數(shù)值方法及驗(yàn)證

從計(jì)算資源和模擬精度綜合考慮,采用旋轉(zhuǎn)周期性邊界,將模型簡(jiǎn)化為全周的1/48,即7.5°的扇區(qū)環(huán)形葉柵通道。前后盤腔均設(shè)置在靜止域下,前盤腔與第一級(jí)靜葉柵通道相連,轉(zhuǎn)靜交界面設(shè)置在盤腔出口下游,后盤腔與第二級(jí)靜葉柵通道相連,轉(zhuǎn)靜交界面設(shè)置在盤腔出口上游。表3給出了數(shù)值計(jì)算邊界條件,邊界條件與燃?xì)馔钙綄?shí)際運(yùn)行工況相同,主流進(jìn)口給定總溫總壓,冷氣進(jìn)口給定靜溫和質(zhì)量流量,葉柵通道出口給定靜壓,轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

表3 計(jì)算邊界條件

采用ANSYS CFX求解三維URANS方程和SSTk-ω湍流模型。采用多組分氣體方法求解轉(zhuǎn)靜盤腔的輪緣封嚴(yán)效率,流動(dòng)工質(zhì)為空氣和CO2混合氣體。壁面全部設(shè)置為光滑絕熱壁面,主流通道兩側(cè)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)周期交界面。瞬態(tài)計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為2.083 33×10-5s,動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)一個(gè)動(dòng)葉柵通道為10個(gè)時(shí)間步長(zhǎng),每個(gè)時(shí)間步需要經(jīng)過(guò)10次迭代,可完全捕捉主流和輪緣密封冷氣相互作用下的非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖5給出了不同時(shí)刻下動(dòng)葉的相對(duì)位置和無(wú)量綱角度θ的示意。可以看出,在t0+10Δt時(shí)刻,靜葉和動(dòng)葉的相對(duì)位置與t0時(shí)刻相同。

圖5 不同時(shí)刻下動(dòng)葉的無(wú)量綱角度和相對(duì)位置示意Fig.5 Schematic diagram of relative position of rotor blades and nondimensional angles

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中,首先開(kāi)展穩(wěn)態(tài)計(jì)算,將穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果作為瞬態(tài)計(jì)算的初場(chǎng)。瞬態(tài)計(jì)算收斂后,從動(dòng)靜葉的初始位置計(jì)算960個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)(動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)一周),取此960步的結(jié)果進(jìn)行時(shí)均統(tǒng)計(jì)。穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí),動(dòng)靜交界面方法為凍結(jié)轉(zhuǎn)子法,瞬態(tài)計(jì)算時(shí)動(dòng)靜交界面方法為瞬態(tài)轉(zhuǎn)靜子法。

圖6 不同冷氣流量下靜盤面測(cè)點(diǎn)處封嚴(yán)效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值結(jié)果的對(duì)比[29]Fig.6 Comparison of sealing effectiveness at monitoring points on stator disk between experiment data and numerical results at different sealant flow rates

為驗(yàn)證本文數(shù)值方法的可靠性,基于英國(guó)巴斯大學(xué)Scobie等[28]的1.5級(jí)透平輪緣密封實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)展驗(yàn)證工作。圖6給出了在不同冷氣流量下封嚴(yán)效率εc的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值結(jié)果的對(duì)比,無(wú)量綱冷氣流量系數(shù)Ф0的定義見(jiàn)2.1小節(jié)中的式(3)。可以看出:前盤腔數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差很小,最大絕對(duì)誤差僅為3.0%;后盤腔數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果偏大,這是由于后盤腔整體冷氣流量較小,在小冷氣流量工況下,計(jì)算收斂速度會(huì)減慢,數(shù)值計(jì)算的誤差也會(huì)增加,但后盤腔最大絕對(duì)誤差不超過(guò)15%,在工程應(yīng)用中是可以接受的。綜上所述可知,本文的數(shù)值方法能夠可靠地預(yù)測(cè)主流通道和輪緣間隙流動(dòng)相互作用下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及盤腔內(nèi)的封嚴(yán)效率εc。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 時(shí)均封嚴(yán)效率

定義無(wú)量綱冷氣流量系數(shù)

(3)

式中:ρ為冷氣入口的密度;Ω為旋轉(zhuǎn)角速度;Sc,ax為輪緣半徑處封嚴(yán)軸向間隙。由于前后盤腔幾何參數(shù)略有差異,在相同冷氣流量下無(wú)量綱冷氣流量系數(shù)Ф0并不同:當(dāng)封嚴(yán)冷氣質(zhì)量流量比M分別為0.25%、0.5%、0.75%和1.0%時(shí),對(duì)應(yīng)前盤腔的Ф0分別為0.005 6、0.010 7、0.015 9和0.021 0,對(duì)應(yīng)后盤腔的Ф0分別為0.006 1、0.011 9、0.017 7和0.023 4。

圖7 不同冷氣流量下前后腔靜盤面監(jiān)測(cè)點(diǎn)處封嚴(yán)效率的變化Fig.7 Sealing effectiveness of monitors on stator disk in front and aft cavities at different sealant flow rates

圖7給出了不同冷氣流量下前后腔靜盤面監(jiān)測(cè)點(diǎn)處封嚴(yán)效率的變化。圖中,r為測(cè)點(diǎn)處的半徑。可以看出,對(duì)于4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),隨著冷氣流量的增加,封嚴(yán)效率均有不同程度的提高。對(duì)于前腔r/b=0.958和后腔r/b=0.968處,最小冷氣流量時(shí)的封嚴(yán)效率分別為0.990和0.974,均大于0.95,可以認(rèn)為前盤腔和后盤腔密封齒以下區(qū)域完全封嚴(yán)。在前腔r/b=0.988處,封嚴(yán)效率保持在較低水平,4種不同冷氣流量下的平均封嚴(yán)效率僅為0.306;當(dāng)冷氣流量增大時(shí),封嚴(yán)效率隨之增大,但曲線斜率逐漸減小,這說(shuō)明前腔外腔內(nèi)受燃?xì)馊肭钟绊戄^大。在后腔r/b=0.994處,封嚴(yán)效率隨冷氣流量變化最為明顯,且與其他3點(diǎn)處的趨勢(shì)變化顯著不同。無(wú)量綱冷氣流量系數(shù)Ф0從0.006 1增大到0.011 9時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)處封嚴(yán)效率僅增大了0.02;當(dāng)Ф0增大到0.017 7時(shí),曲線斜率迅速變大,封嚴(yán)效率增加了0.179;當(dāng)Ф0增大到0.0234時(shí),封嚴(yán)效率增加了0.182。這說(shuō)明在后腔外腔區(qū)域,封嚴(yán)效率對(duì)冷氣流量的變化較為敏感,與前腔相比燃?xì)馊肭謱?duì)后腔外腔的影響小很多。

圖8給出了不同冷氣流量下前盤腔動(dòng)靜盤面上時(shí)均封嚴(yán)效率徑向分布。可以看出:緩沖腔和內(nèi)腔動(dòng)靜盤面上封嚴(yán)效率均達(dá)到了0.95以上,第一級(jí)密封齒以下的盤腔區(qū)域完全封嚴(yán);在3個(gè)腔室里,當(dāng)半徑逐漸增加時(shí),動(dòng)靜盤面上時(shí)均封嚴(yán)效率均逐漸減小,當(dāng)冷氣流量逐漸增加時(shí),動(dòng)靜盤面上時(shí)均封嚴(yán)效率有不同程度的提高。冷氣流量的大小對(duì)緩沖腔和內(nèi)腔動(dòng)靜盤面上時(shí)均封嚴(yán)效率影響較小,但對(duì)外腔的影響較為顯著。在外腔動(dòng)盤面上,當(dāng)冷氣流量比較小時(shí),隨半徑的增大,動(dòng)盤面上時(shí)均封嚴(yán)效率下降得非常快。對(duì)于靜盤面,外腔內(nèi)時(shí)均封嚴(yán)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)腔室,冷氣流量最小時(shí),靜盤面平均封嚴(yán)效率為0.20,流量最大時(shí),平均封嚴(yán)效率為0.40。對(duì)比動(dòng)靜盤面,在相同冷氣流量下,動(dòng)盤面上時(shí)均封嚴(yán)效率整體上要高于靜盤面。冷氣流量最小時(shí),外腔內(nèi)動(dòng)靜盤面上的平均封嚴(yán)效率相差0.67。

圖8 不同冷氣流量下前盤腔動(dòng)靜盤面上時(shí)均封嚴(yán)效率的徑向分布Fig.8 Sealing effectiveness distribution along the radial direction at different sealant flow rates in the front cavity

圖9給出了不同冷氣流量下后盤腔動(dòng)靜盤面上時(shí)均封嚴(yán)效率徑向分布。可以看出,當(dāng)冷氣流量增大時(shí),后盤腔動(dòng)靜盤面上時(shí)均封嚴(yán)效率均在逐漸增大,外腔內(nèi)封嚴(yán)效率隨流量的變化非常顯著。在小冷氣流量下,動(dòng)盤面比靜盤面時(shí)均封嚴(yán)效率增加速率更快。當(dāng)Ф0從0.006 1增大到0.011 9時(shí),外腔區(qū)域的時(shí)均封嚴(yán)效率徑向均值增大了37.7%,而靜盤面上只增大了4%;當(dāng)Ф0增大到0.017 7時(shí),動(dòng)盤面上封嚴(yán)效率已經(jīng)達(dá)到了1.0附近,靜盤面封嚴(yán)效率均值僅有0.65;當(dāng)Ф0增大到0.0234時(shí),靜盤面封嚴(yán)效率均值達(dá)到了0.83,相比冷氣流量最小時(shí),封嚴(yán)效率均值增大。輪緣附近外腔靜盤面時(shí)均封嚴(yán)效率比相同流量下動(dòng)盤面封嚴(yán)效率更低,這與前盤腔表現(xiàn)一致。

圖9 不同冷氣流量下后盤腔動(dòng)靜盤面上時(shí)均封嚴(yán)效率徑向分布Fig.9 Sealing effectiveness distribution along the radial direction at different sealant flow rates in the aft cavity

圖10 前后盤腔θ=0.5截面處時(shí)均封嚴(yán)效率云圖和流線圖Fig.10 Sealing effectiveness distribution and streamline on plane θ=0.5 in front and aft cavities

圖10給出了Ф0分別為0.010 7(前盤腔)和0.011 9(后盤腔)時(shí)前后盤腔θ=0.5截面處的時(shí)均封嚴(yán)效率云圖和流線圖。根據(jù)封嚴(yán)效率云圖可知:前盤腔燃?xì)馊肭种饕绊憛^(qū)域是盤腔輪緣間隙處和外腔,在緩沖腔和3內(nèi)基本沒(méi)有入侵的燃?xì)?外腔動(dòng)盤面附近時(shí)均封嚴(yán)效率顯著高于靜盤面附近。后盤腔由于兩個(gè)密封齒中間間隙較大,密封齒間隙處也受到燃?xì)馊肭钟绊憽Ｅc前盤腔相比,后盤腔靜盤面附近封嚴(yán)效率更高,但動(dòng)盤面附近封嚴(yán)效率較低,這與腔內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)相關(guān)。

觀察流線圖可知,冷氣進(jìn)入盤腔后逐漸流向動(dòng)盤面一側(cè),進(jìn)入動(dòng)盤面的邊界層,之后在離心力作用下徑向向外流動(dòng),通過(guò)輪緣間隙匯入主流。為了保持前盤腔內(nèi)流體質(zhì)量守恒,必然有主流燃?xì)膺M(jìn)入盤腔內(nèi),在與冷氣摻混后沿靜盤面徑向向內(nèi)流動(dòng)。這是轉(zhuǎn)靜盤腔內(nèi)的泵吸效應(yīng),即在動(dòng)盤作用下轉(zhuǎn)靜盤腔內(nèi)流體徑向流動(dòng)的現(xiàn)象。當(dāng)燃?xì)馊肭职l(fā)生時(shí),燃?xì)庵苯咏佑|到靜盤面靠近輪緣的位置,此處封嚴(yán)效率最低。動(dòng)靜間隙足夠大時(shí),在動(dòng)盤和靜盤邊界層外存在無(wú)黏性的旋轉(zhuǎn)核心區(qū)域,即Batchelor流動(dòng),所有的徑向流動(dòng)都被限制在邊界層中,在前盤腔緩沖腔、內(nèi)腔和后盤腔內(nèi)腔,存在由上述原因產(chǎn)生的大型旋渦。此外,在前后盤腔外腔區(qū)域存在數(shù)個(gè)旋渦結(jié)構(gòu),這些旋渦結(jié)構(gòu)對(duì)入侵燃?xì)夂头鈬?yán)冷氣的流動(dòng)有直接影響。

2.2 非定常燃?xì)馊肭謾C(jī)理

圖11(a)給出了Ф0分別為0.010 7和0.011 9時(shí)前后腔輪緣間隙處監(jiān)測(cè)點(diǎn)封嚴(yán)效率隨時(shí)間的波動(dòng)變化。可以看出,監(jiān)測(cè)點(diǎn)處非定常封嚴(yán)效率是周期性波動(dòng)的,波動(dòng)幅度較大。這是因?yàn)檩喚壝芊忾g隙處受到燃?xì)馊肭趾屠錃獬隽鹘惶孀儞Q的影響。對(duì)兩個(gè)波形進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)得到圖11(b)。可以看出,前腔監(jiān)測(cè)點(diǎn)主導(dǎo)頻率為2 747 Hz,后腔監(jiān)測(cè)點(diǎn)主導(dǎo)頻率為5 96 Hz,對(duì)應(yīng)的時(shí)間步長(zhǎng)分別為18和81,即前盤腔和后盤腔輪緣處非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)的周期分別為18和81個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)一個(gè)動(dòng)葉柵通道設(shè)定10個(gè)時(shí)間步長(zhǎng),一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)為2.083 3×10-5s,得到動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)頻率為4 800 Hz,前后腔輪緣出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)處封嚴(yán)效率FFT后的主導(dǎo)頻率都大于4 800 Hz,這是主流通道燃?xì)馀c盤腔封嚴(yán)冷氣相互作用的結(jié)果,與速度差引起的K-H不穩(wěn)定大尺度旋渦[18]是一致的。

(a)封嚴(yán)效率隨時(shí)間的變化

(b)FFT分析

圖12給出了Ф0分別為0.010 7和0.011 9時(shí)前后盤腔輪緣密封間隙中分面非定常封嚴(yán)效率云圖和流線圖。可以看到類似K-H不穩(wěn)定性旋渦的結(jié)構(gòu):前盤腔中分面上存在一個(gè)大尺度渦團(tuán),后盤腔中分面輪緣間隙出口處存在兩個(gè)旋渦。這些旋渦結(jié)構(gòu)位于高封嚴(yán)效率區(qū)域和低封嚴(yán)效率區(qū)域的交界面處,且都隨著動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)而周向移動(dòng)。

經(jīng)過(guò)18和81個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)后,對(duì)于前后盤腔輪緣密封間隙中分面,封嚴(yán)效率εc分布和流線分布與初始時(shí)刻t0時(shí)大致相同。輪緣密封間隙出口徑向兩側(cè)主流通道燃?xì)夂捅P腔封嚴(yán)冷氣流動(dòng)方向相反,這是由于主流燃?xì)夂头鈬?yán)冷氣存在周向速度差異。盤腔內(nèi)封嚴(yán)冷氣周向速度主要由動(dòng)盤面附近流體黏性力引起,其線速度始終小于等半徑下動(dòng)盤面線速度。主流燃?xì)饨?jīng)過(guò)上游葉柵通道后,氣流發(fā)生偏轉(zhuǎn)和加速,通道出口處周向速度非常大。存在周向速度差的兩股氣流在流動(dòng)交界面上相互剪切導(dǎo)致交界面處(輪緣間隙出口處)產(chǎn)生不穩(wěn)定性旋渦。不穩(wěn)定性旋渦的數(shù)量和上游通道葉片數(shù)直接相關(guān),本文中的計(jì)算模型3列葉柵葉片數(shù)之比為1∶2∶1,前后腔輪緣間隙內(nèi)不穩(wěn)定旋渦的數(shù)量也對(duì)應(yīng)為1和2。

K-H不穩(wěn)定旋渦的周向速度是由輪緣出口附近葉柵通道和盤腔內(nèi)流體的周向速度共同決定,后腔輪緣間隙流體的周向速度比前腔小,因此后腔輪緣間隙處旋渦不穩(wěn)定周期要大于前腔。

后盤腔中分面外腔內(nèi)存在與K-H不穩(wěn)定性旋渦相干的一大一小兩個(gè)渦團(tuán),大型旋渦處存在大面積由入侵燃?xì)鈱?dǎo)致的低封嚴(yán)效率區(qū),小型渦團(tuán)位置同樣存在低封嚴(yán)效率區(qū),但面積較小。對(duì)比前后盤腔封嚴(yán)效率分布和旋渦結(jié)構(gòu),前盤腔封嚴(yán)效率分布顯著受到大尺度不穩(wěn)定性旋渦影響,后盤腔輪緣間隙處兩個(gè)不穩(wěn)定性旋渦結(jié)構(gòu)對(duì)封嚴(yán)效率影響較小,外腔內(nèi)一大一小兩個(gè)渦團(tuán)對(duì)封嚴(yán)效率的影響更為顯著。

(a)前盤腔

(b)后盤腔

定義前后盤腔輪緣出口附近的非定常無(wú)量綱壓力系數(shù)分別為

(4)

(5)

式中:ps為測(cè)點(diǎn)的靜壓;pt,0、pt,1分別為第一級(jí)靜葉進(jìn)口、出口的總壓;ps,2、ps,3分別為第二級(jí)靜葉進(jìn)口、出口的靜壓。

圖13給出了在Ф0分別為0.010 7和0.011 9時(shí),前后盤腔輪緣密封出口上下游5 mm處端壁表面上的非定常壓力系數(shù)周向分布。可以看出,前后盤腔輪緣密封出口附近端壁表面壓力系數(shù)都是非軸對(duì)稱的。在前盤腔輪緣密封間隙出口上游5 mm處,靜葉尾緣相對(duì)位置存在1個(gè)高壓力系數(shù)Cp,f的波峰,在不同時(shí)刻下壓力系數(shù)Cp,f分布大致相同;下游5 mm處,兩個(gè)動(dòng)葉前緣相對(duì)位置存在2個(gè)高壓力系數(shù)Cp,f的波峰,壓力系數(shù)Cp,f分布隨著動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)而變化。上游高壓波峰是主流燃?xì)饬鬟^(guò)上游葉片尾緣時(shí)受尾跡損失等流動(dòng)損失產(chǎn)生,下游高壓波峰是主流燃?xì)鉀_擊下游葉片前緣時(shí)流動(dòng)滯止產(chǎn)生。

圖13 前后盤腔輪緣密封出口上下游5 mm處端壁表面非定常壓力系數(shù)周向分布Fig.13 Circumferential distribution of unsteady pressure coefficient on endwall at 5 mm upstream or downstream of front and aft rim seals

與前盤腔下游相同,后盤腔輪緣密封間隙出口上游5 mm處端壁表面上受兩個(gè)在動(dòng)葉尾緣附近產(chǎn)生的高壓區(qū)域影響,存在2個(gè)壓力系數(shù)Cp,a的波峰,且受動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)影響Cp,a分布也在周向移動(dòng)。

后腔輪緣密封出口下游5 mm處,由于第二級(jí)靜葉位置仍在下游距離較遠(yuǎn)處,此處受靜葉前緣滯止區(qū)影響較弱,同時(shí)上游動(dòng)葉尾緣因流動(dòng)損失產(chǎn)生的高壓區(qū)在經(jīng)過(guò)輪緣密封間隙封嚴(yán)冷氣射流后,對(duì)下游的影響也進(jìn)一步減弱,即下游5 mm處壓力系數(shù)Cp,a受到第二級(jí)靜葉前緣滯止區(qū)弱影響和動(dòng)葉尾緣高壓區(qū)弱影響的雙重作用,導(dǎo)致下游5 mm處壓力系數(shù)Cp,a分布同時(shí)保留了兩者的部分特征:①只存在一個(gè)壓力系數(shù)峰值,但由于距離下游靜葉前緣滯止區(qū)較遠(yuǎn),峰值較小;②壓力系數(shù)Cp,a的分布也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。這表明后腔所在位置,即與上游動(dòng)葉尾緣和下游靜葉前緣的距離會(huì)影響盤腔上方的周向壓力分布,進(jìn)而可能會(huì)對(duì)燃?xì)馊肭趾头鈬?yán)冷氣出流有一定影響。

定義單位面積上質(zhì)量流量的徑向分量為徑向質(zhì)量通量,符號(hào)為Jr,單位為kg/(m2·s)。

圖14給出了當(dāng)Ф0分別為0.010 7和0.011 9時(shí),端壁表面壓力系數(shù)分布和前后盤腔輪緣密封間隙徑向質(zhì)量通量Jr云圖。徑向質(zhì)量通量Jr云圖中,負(fù)值表示燃?xì)馊肭?正值表示冷氣出流。前腔輪緣密封間隙內(nèi),在靜葉尾緣和動(dòng)葉前緣相對(duì)位置靠近靜盤面附近存在比較強(qiáng)烈的燃?xì)馊肭?冷氣出流發(fā)生在燃?xì)馊肭謪^(qū)域包夾的中間范圍,且更靠近動(dòng)盤附近,這是受泵吸效應(yīng)影響所導(dǎo)致。燃?xì)馊肭趾屠錃獬隽鞯奈恢镁S動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)而周向移動(dòng),從t0到t0+12Δt,燃?xì)馊肭謪^(qū)域從小三角狀沿著周向逐漸被拉長(zhǎng),變成長(zhǎng)彎曲條紋狀,燃?xì)馊肭址秶儚V,但強(qiáng)度下降很多。在t0+16Δt時(shí)刻,靜葉尾緣與動(dòng)葉前緣的相對(duì)位置又出現(xiàn)燃?xì)馊肭謴?qiáng)度較大的深紅色小三角,之后再次沿著周向拉長(zhǎng)。

(a)前盤腔

(b)后盤腔

后盤腔輪緣密封間隙內(nèi),燃?xì)馊肭种饕性趧?dòng)葉尾緣的正對(duì)位置,每一個(gè)動(dòng)葉尾緣處都有一個(gè)長(zhǎng)條紋狀的高強(qiáng)度燃?xì)馊肭謪^(qū)域,相對(duì)位置始終保持不變,冷氣出流則被限制在兩個(gè)長(zhǎng)條紋狀燃?xì)馊肭謪^(qū)域中間,靠近動(dòng)盤附近冷氣出流強(qiáng)度更大。與前盤腔相同,長(zhǎng)條紋狀高強(qiáng)度入侵區(qū)域隨著動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)而周向移動(dòng),同時(shí)沿著周向被斜向拉長(zhǎng)到靜盤面附近,強(qiáng)度有所減弱,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后恢復(fù)。

輪緣密封間隙出口端壁上下游的周向壓力系數(shù)分布和K-H不穩(wěn)定渦流共同影響著輪緣密封處的流動(dòng)形式。根據(jù)端壁表面壓力系數(shù)云圖,第一級(jí)靜葉尾緣附近、動(dòng)葉前緣附近以及第二級(jí)靜葉前緣位置處均存在局部高壓區(qū)域,受高壓區(qū)域影響,上游葉片尾緣與下游葉片前緣相對(duì)位置處,盤腔上方局部主流壓力達(dá)到峰值,燃?xì)馊肭肿顬閺?qiáng)烈,表征為此處條紋狀入侵區(qū)域顏色最深。隨著動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn),上游葉片尾緣與下游葉片前緣錯(cuò)開(kāi),盤腔上方局部主流壓力降低,燃?xì)馊肭中Ч麥p弱,表征為高強(qiáng)度入侵區(qū)域顏色變淺,且由于動(dòng)靜盤面之間的旋轉(zhuǎn)剪切效應(yīng)和腔內(nèi)流體的周向流動(dòng),燃?xì)馊肭謪^(qū)域被斜向拉長(zhǎng)。盤腔上方局部主流壓力進(jìn)一步降低至小于盤腔內(nèi)部壓力時(shí),表征為封嚴(yán)冷氣的出流。對(duì)比前后盤腔輪緣密封間隙的徑向質(zhì)量通量可知,前盤腔燃?xì)馊肭肿畲髲较蛸|(zhì)量通量約為后盤腔的2.5倍,說(shuō)明前盤腔燃?xì)馊肭直群蟊P腔更為強(qiáng)烈。原因如下:①受到壓力系數(shù)分布影響,盤腔正上方壓力分布由上下游端區(qū)壓力共同決定,根據(jù)圖13可知,前盤腔正上方局部壓力系數(shù)要顯著大于后盤腔;②受輪緣密封間隙內(nèi)不穩(wěn)定渦流強(qiáng)度的影響,前腔密封間隙內(nèi)不穩(wěn)定性渦團(tuán)的旋渦結(jié)構(gòu)更大,后腔密封間隙內(nèi)雖然存在兩個(gè)不穩(wěn)定旋渦,但結(jié)構(gòu)都比較小,因而后盤腔燃?xì)馊肭值膹?qiáng)度要顯著小于前盤腔。

2.3 非定常流動(dòng)特征

定義無(wú)量綱溫度Θ為

(6)

式中:Tt,0=1 718 K為主流入口的總溫;Tc=700 K為轉(zhuǎn)靜盤腔冷氣入口的靜溫。

圖15(a)給出了t0時(shí)刻Ф0=0.010 7時(shí)前后盤腔輪緣間隙處不同徑向面的封嚴(yán)效率、無(wú)量綱溫度和徑向質(zhì)量通量云圖,在輪緣出口間隙處選擇出口截面Rfout,0和3個(gè)不同軸向截面(沿徑向向內(nèi)分別記為Rfout,1、Rfout,2和Rfout,3)進(jìn)行分析。可以看出,前盤腔輪緣密封出口所有面上,封嚴(yán)效率和無(wú)量綱溫度云圖中封嚴(yán)冷氣和高溫燃?xì)獾姆植枷嗷?duì)應(yīng),封嚴(yán)效率的另一層物理含義為封嚴(yán)冷氣的體積分?jǐn)?shù),封嚴(yán)效率較大區(qū)域代表此處冷氣體積分?jǐn)?shù)大,冷氣量大溫度必然較低。與封嚴(yán)效率云圖和無(wú)量綱溫度云圖相結(jié)合,觀察徑向質(zhì)量通量云圖可知:徑向向內(nèi)入侵區(qū)域均是溫度高、冷氣體積分?jǐn)?shù)小的燃?xì)?但是,徑向向外出流區(qū)域并不完全是低溫封嚴(yán)冷氣,還有溫度較高、體積分?jǐn)?shù)較低的區(qū)域,這是因?yàn)椴糠种髁鞲邷厝細(xì)鈴较蛩俣容^小,在入侵腔室后與封嚴(yán)冷氣充分混合,高溫燃?xì)鉁囟冉档?動(dòng)能逐漸耗散,最終又被封嚴(yán)冷氣徑向向外帶出。

從Rfout,0徑向向內(nèi)深入到Rfout,3,高溫燃?xì)饷娣e逐漸減小,低溫冷氣區(qū)域則沿著周向逐漸拉長(zhǎng),面積逐漸增大。徑向質(zhì)量通量云圖中燃?xì)馊肭趾头鈬?yán)冷氣出流的核心位置也發(fā)生變化,在面Rfout,0上,燃?xì)馊肭謪^(qū)域占據(jù)近一半面積,入侵核心(紅黑色區(qū)域)靠近靜盤面一側(cè),正對(duì)于上游靜葉尾緣。沿徑向向內(nèi)入侵到Rfout,3過(guò)程中,燃?xì)馊肭置娣e減小的同時(shí),入侵核心逐漸向動(dòng)盤面移動(dòng),這是由于燃?xì)馊肭窒攘飨蜉喚壝芊忾g隙處動(dòng)盤面斜坡,沖擊斜坡后沿坡面向下流動(dòng)繼續(xù)入侵盤腔。

圖15(b)給出了t0時(shí)刻Ф0=0.011 9時(shí)后盤腔輪緣密封間隙處不同徑向面上封嚴(yán)效率、無(wú)量綱溫度和徑向質(zhì)量通量云圖,在輪緣出口間隙處選擇出口截面Raout,0和4個(gè)不同軸向截面(沿徑向向內(nèi)分別記為Raout,1、Raout,2、Raout,3和Raout,4)進(jìn)行分析。與前腔相同,后腔輪緣密封出口面封嚴(yán)效率和無(wú)量綱溫度云圖中封嚴(yán)冷氣和高溫燃?xì)獾姆植家彩窍嗷?duì)應(yīng)的,徑向質(zhì)量通量云圖與前兩者分布略有差異,但大致相同。從Raout,0徑向向內(nèi)深入到Raout,4,向內(nèi)入侵的高溫燃?xì)夂拖蛲獬隽鞯牡蜏乩錃馕恢迷谥饾u變化:Raout,0面上燃?xì)馊肭秩細(xì)鈪^(qū)域正對(duì)于上游兩列動(dòng)葉的尾緣,且從動(dòng)盤面附近一直延伸到靜盤面,冷氣出流與燃?xì)馊肭謪^(qū)域呈相間分布;Raout,1面上燃?xì)馊肭趾诵囊奄N附到靜盤面上,這是由于Raout,0面上靠近動(dòng)盤面附近的燃?xì)饫^續(xù)向下入侵時(shí)會(huì)正面遇到始終沿動(dòng)盤面附近向外出流的封嚴(yán)冷氣,封嚴(yán)冷氣沖擊作用較強(qiáng),把燃?xì)鈴较蛳騼?nèi)的動(dòng)量耗散,同時(shí)將燃?xì)鉀_刷排擠至靜盤面,因而Raout,1面上高溫燃?xì)鈪^(qū)域已移動(dòng)到靜盤面附近,入侵面積大幅減小;繼續(xù)向內(nèi)深入到Raout,4,高溫燃?xì)鈪^(qū)域一直貼附在靜盤面附近,燃?xì)夂诵膮^(qū)沿周向逐漸收縮,軸向逐漸變寬,由細(xì)長(zhǎng)條紋狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘霗E圓狀,強(qiáng)度逐漸減弱(核心區(qū)顏色變淺),這是因?yàn)槿細(xì)庀騼?nèi)入侵時(shí)封嚴(yán)冷氣占據(jù)面積逐漸增大,冷氣在周向方向擴(kuò)展速度更快,燃?xì)夂诵膮^(qū)主要受封嚴(yán)冷氣沖擊和周向方向排擠作用,軸向方向受到影響較小,因而燃?xì)夂诵膮^(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘霗E圓狀。

(a)前盤腔

圖16選取了不同的θ截面進(jìn)行分析。圖16(a)給出了t0時(shí)刻Ф0=0.010 7時(shí)前盤腔不同θ截面封嚴(yán)效率云圖和流線圖。θ=0面為燃?xì)馊肭譅顟B(tài),θ=0.14面為燃?xì)馊肭窒蚍鈬?yán)冷氣出流過(guò)渡狀態(tài),θ=0.19和θ=0.44面為封嚴(yán)冷氣出流狀態(tài),θ=0.67面為封嚴(yán)冷氣出流向燃?xì)馊肭诌^(guò)渡狀態(tài),θ=0.74和θ=0.79面為燃?xì)馊肭譅顟B(tài)。這與圖12(a)中K-H不穩(wěn)定旋渦相互對(duì)應(yīng),t0時(shí)刻不穩(wěn)定旋渦核心周向位置為θ=0.67,旋渦影響范圍內(nèi)θ>0.67時(shí)燃?xì)馊肭直P腔,θ<0.67時(shí)封嚴(yán)冷氣出流。

封嚴(yán)效率分布變化與流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化大致對(duì)應(yīng),兩者均可反映燃?xì)馊肭帧⒎鈬?yán)冷氣出流以及兩種狀態(tài)過(guò)渡階段。根據(jù)封嚴(yán)效率分布可知,前腔外腔內(nèi)可劃分為右側(cè)高封嚴(yán)效率區(qū)域和左側(cè)低封嚴(yán)效率區(qū)域,左側(cè)靜盤面附近封嚴(yán)效率始終保持在較低值,輪緣密封間隙動(dòng)盤斜坡面和左側(cè)靜盤面上封嚴(yán)效率始終比較低,這兩處壁面更容易受到高溫燃?xì)鉄崆治g。

前盤腔腔室內(nèi)存在多個(gè)旋渦結(jié)構(gòu),旋渦在周向方向上不斷變化,對(duì)燃?xì)馊肭趾头鈬?yán)冷氣出流有重要影響。θ=0.14面上,旋渦Vf,1堵塞輪緣出口,阻礙主流燃?xì)馊肭直P腔。之后,Vf,1逐漸減小并向左上方移動(dòng),減輕對(duì)冷氣出流的阻礙作用,最終被大流量的封嚴(yán)冷氣沖刷消失。θ=0.19面上,輪緣出口斜坡面上出現(xiàn)一個(gè)小旋渦Vf,2,旋渦迅速變大并向封嚴(yán)出口中間移動(dòng),堵塞輪緣出口并將主流高溫燃?xì)夂头鈬?yán)冷氣強(qiáng)烈混合。θ=0.67面上,旋渦Vf,3阻擋了動(dòng)盤面附近向外出流的封嚴(yán)冷氣,與輪緣密封間隙處旋渦Vf,2耦合作用,大面積堵塞燃?xì)馊肭趾头鈬?yán)冷氣出流。到θ=0.79面上:Vf,2繼續(xù)向左側(cè)移動(dòng)并逐漸減小,對(duì)主流燃?xì)饬魅氡P腔的阻礙作用減弱;Vf,3向右側(cè)移動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)冷氣出流的阻擋作用,燃?xì)鈴男郎uVf,2和Vf,3中間間隙入侵到腔室內(nèi),繼續(xù)向下流動(dòng)時(shí)受到旋渦Vf,0的卷吸作用,Vf,0將燃?xì)馀c封嚴(yán)冷氣強(qiáng)烈混合,降低燃?xì)鉁囟鹊耐瑫r(shí)阻止燃?xì)饫^續(xù)向下入侵。到θ=0.79面上:旋渦Vf,2進(jìn)一步減小并被主流燃?xì)鈮褐圃谧笊戏奖诿?旋渦Vf,3變小,減弱了對(duì)燃?xì)馊肭至鲃?dòng)的阻礙作用,燃?xì)庖哺鼮榱鲿车厝肭值角皇覂?nèi)部,Vf,0吸收了Vf,3部分渦量變大,增強(qiáng)了對(duì)入侵燃?xì)獾木砦饔谩?/p>

(a)前盤腔

(b)后盤腔

圖16(b)給出了t0時(shí)刻Ф0=0.011 9時(shí)前盤腔不同θ截面封嚴(yán)效率云圖和流線圖。θ=0.13面為燃?xì)馊肭譅顟B(tài),θ=0.25面為燃?xì)馊肭窒蚍鈬?yán)冷氣出流過(guò)渡狀態(tài),θ=0.60和θ=0.75面為封嚴(yán)冷氣出流狀態(tài),θ=0.91、θ=0.98和θ=0面為封嚴(yán)冷氣出流向燃?xì)馊肭诌^(guò)渡狀態(tài)。與圖12(b)相對(duì)應(yīng),t0時(shí)刻后腔外腔內(nèi)大型渦團(tuán)周向影響范圍為θ>0.8和θ<0.3,此范圍內(nèi)盤腔內(nèi)為燃?xì)獬隽鳡顟B(tài)。當(dāng)0.3<θ<0.8時(shí),逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔錃獬隽鳌：蟊P腔腔室內(nèi)整體面積平均封嚴(yán)效率更高,與前腔相比,后腔入侵燃?xì)夥植挤秶?動(dòng)盤面上始終有封嚴(yán)冷氣覆蓋,靜盤面上低封嚴(yán)效率區(qū)只占據(jù)部分周向區(qū)域。

后盤腔腔室內(nèi)同樣存在多個(gè)旋渦結(jié)構(gòu),θ=0面上腔室內(nèi)部存在一個(gè)大旋渦Va,1。到θ=0.13面上,由于受入侵的燃?xì)馑鶋褐?旋渦Va,1變小并向下方封嚴(yán)齒表面移動(dòng),最終被壓制在封嚴(yán)齒上表面,對(duì)燃?xì)馊肭值淖璧K作用減弱,使燃?xì)馔ㄟ^(guò)封嚴(yán)齒中間間隙入侵到右側(cè)和內(nèi)腔。θ=0面上,腔室內(nèi)有一個(gè)小型旋渦Va,2,Va,2逐漸增大并脫離靜盤面密封齒向左下方移動(dòng)。到θ=0.25面上,Va,2移動(dòng)到封嚴(yán)齒中間間隙,大面積阻擋了燃?xì)庀騼?nèi)腔繼續(xù)入侵,Va,2將燃?xì)夂头鈬?yán)冷氣強(qiáng)烈地混合,進(jìn)一步降低了燃?xì)鉁囟?提高冷氣濃度。到θ=0.60面上,Va,2變小并移動(dòng)到密封齒上表面,對(duì)封嚴(yán)冷氣流動(dòng)的阻礙作用減弱,冷氣出流強(qiáng)度增加。θ=0.13面上,輪緣密封間隙處存在一處大旋渦Va,0,大面積堵塞出口。到θ=0.91面上,Va,0逐漸向右下方移動(dòng),旋渦結(jié)構(gòu)逐漸減小,減弱了對(duì)封嚴(yán)冷氣出流的阻礙作用。θ=0.91面上還有一旋渦Va,3,Va,3是由靜盤面封嚴(yán)齒下表面角渦脫落并被冷氣攜帶到封嚴(yán)齒下表面處。θ=0.98面上,旋渦Va,0和Va,3合并為Va,1,并移動(dòng)到封嚴(yán)齒中間間隙,將封嚴(yán)冷氣向下方壓制,進(jìn)一步阻擋冷氣出流。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)透平第一級(jí)和第二級(jí)靜葉1.5級(jí)透平模型自主設(shè)計(jì)了前后盤腔及輪緣密封結(jié)構(gòu),在燃?xì)馔钙綄?shí)際運(yùn)行工況下開(kāi)展了主流燃?xì)夂头鈬?yán)冷氣相互作用下的燃?xì)馊肭謾C(jī)理和輪緣間隙內(nèi)非定常流動(dòng)特征與封嚴(yán)效率的數(shù)值研究,結(jié)論如下。

(1)前盤腔緩沖腔、內(nèi)腔和后盤腔內(nèi)腔靜盤面在4種冷氣流量下封嚴(yán)效率始終大于0.95,可以認(rèn)為前后盤腔密封齒以下區(qū)域均被完全封嚴(yán)。前腔外腔內(nèi)受燃?xì)馊肭钟绊戄^大,在冷氣流量最大時(shí),后腔外腔靜盤面平均封嚴(yán)效率為0.83,而前腔外腔靜盤面平均封嚴(yán)效率僅為后盤腔的48.2%。在不同θ截面上,前腔外腔內(nèi)可劃分為右側(cè)高封嚴(yán)效率區(qū)域和左側(cè)低封嚴(yán)效率區(qū)域,左側(cè)靜盤面和輪緣密封間隙動(dòng)盤斜坡面上封嚴(yán)效率始終保持在較低水平。后盤腔腔室內(nèi)整體面積平均封嚴(yán)效率更高,與前腔相比,后腔入侵燃?xì)夥植挤秶?動(dòng)盤面上始終有封嚴(yán)冷氣覆蓋,靜盤面上低封嚴(yán)效率區(qū)只占據(jù)部分周向區(qū)域。

(2)通過(guò)FFT分析可知,前盤腔和后盤腔輪緣處非定常流動(dòng)結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)頻率分別為2 747 Hz和596 Hz,對(duì)應(yīng)為18和81個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。前盤腔封嚴(yán)效率和非定常流場(chǎng)分布顯著受到大尺度不穩(wěn)定性旋渦影響;后盤腔輪緣密封間隙出口處兩個(gè)不穩(wěn)定性旋渦對(duì)封嚴(yán)效率和流場(chǎng)影響較小,但在外腔內(nèi)出現(xiàn)與K-H不穩(wěn)定性旋渦相干的兩個(gè)渦團(tuán),兩個(gè)渦團(tuán)和非軸對(duì)稱周向壓力分布對(duì)封嚴(yán)效率和非定常流動(dòng)的影響更為顯著。在相同冷氣流量下前盤腔燃?xì)馊肭直群蟊P腔更為強(qiáng)烈,輪緣密封間隙出口處燃?xì)馊肭肿畲髲较蛸|(zhì)量通量約為后盤腔的2.5倍,這是由于前盤腔上方壓力顯著大于后腔,且前腔封嚴(yán)間隙內(nèi)不穩(wěn)定性渦團(tuán)的旋渦結(jié)構(gòu)更大。

(3)前盤腔輪緣密封間隙處,燃?xì)庋貜较蛳騼?nèi)入侵過(guò)程中,燃?xì)庀攘飨蜉喚壝芊忾g隙處動(dòng)盤面斜坡,而后沿坡面向下流動(dòng)繼續(xù)入侵盤腔。后盤腔輪緣密封間隙處靠近動(dòng)盤面附近的燃?xì)庀蛳氯肭謺r(shí)會(huì)正面遇到始終沿動(dòng)盤面附近向外出流的封嚴(yán)冷氣,封嚴(yán)冷氣沖擊作用較強(qiáng),把燃?xì)鈴较蛳騼?nèi)動(dòng)量耗散,同時(shí)將燃?xì)鉀_刷排擠至靜盤面,因而高溫燃?xì)夂诵囊苿?dòng)到靜盤面附近,入侵面積大幅減小。在前后腔腔室內(nèi)均存在多個(gè)旋渦,旋渦位置和大小在周向上逐漸變化,通過(guò)增強(qiáng)或減弱對(duì)入侵燃?xì)?封嚴(yán)冷氣)的流動(dòng)阻力,影響腔內(nèi)燃?xì)馊肭趾屠錃獬隽鲀煞N狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)變。