张筠松,刘永葆,2,李钰洁,2,李启杰

(1.海军工程大学动力工程学院,430033,武汉;2.海军工程大学舰船动力工程军队重点实验室,430033,武汉)

燃气轮机变几何涡轮技术广泛应用于航空、船舶等动力系统中。变几何涡轮通过调节静叶喉部面积控制进口流量,优化燃机各部件间的匹配关系,提高燃气轮机的变工况性能[1]。采用变几何涡轮时,必须在静叶端部留有一定的间隙[2],以避免静叶与机匣和轮毂的剐蹭,保证静叶的自由转动,这就不可避免地给端区带来附加的二次流损失。Gunaraj等研究表明,端区损失占整个涡轮级损失的1/3[3]。因此如何更好地控制和减少端区的二次流动损失是变几何涡轮设计中需要重点考虑的问题。

弯曲叶片是目前涡轮叶片设计中的常用方式,最早由Deich等[4]提出,王仲奇院士发展的“附面层迁移理论”从流动的物理机制方面解释了弯曲叶片对涡轮气动性能的影响[5],并对弯曲叶片的研究工作进行了总结和展望[6]。随后国内外研究人员对叶片弯曲的作用机制进行了大量的数值和实验研究。Bagshaw等实验测量了反向弯扭叶片对气动损失和流量的影响,结果表明反向弯扭叶片叶身中部气动损失要小于端部,总体损失减小了11%[7]。桑迪亚实验室团队针对叶片的弯掠优化设计进行了一系列的验证实验[8]。Tan等实验测量了叶片表面静压分布,研究了叶片弯曲角度对高负荷涡轮叶栅涡结构分布及流场能量损失的影响[9-10]。Huang等研究了叶片弯曲对涡扇低雷诺数工况性能的影响,并对弯曲叶片进行了优化设计和效果评估[11]。……