周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究.pdf

2023 年 8 月第 44 卷 第 8 期推进技术JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGYAug.2023Vol.44 No.82204052-1周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究*史旭阳1，吴艳辉1，2，范鑫1（1.西北工业大学 动力与能源学院，陕西 西安 710072；2.陕西省航空发动机内流动力学重点实验室，陕西 西安 710129）摘 要：为了验证周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的效果，本文在GE-E3高压涡轮第一级的机匣上引入周向单槽式机匣处理，通过数值模拟手段研究了周向单槽的轴向位置、槽宽和槽深对叶尖泄漏流调控的影响及周向单槽调控叶尖泄漏流的物理机制。结果表明：周向单槽的引入虽然会使叶尖泄漏涡尺寸变大，但会显著降低叶尖泄漏涡及机匣通道涡的强度，使得涡轮转子通道内流动总损失降低，涡轮级效率提高。在设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽，可以使涡轮转子通道内的流动损失相对减小9.10%，涡轮转子的效率提高0.40%，级效率提高0.85%。同时发现设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽结构，在非设计工况时也有良好的控制效果。关键词：高压涡轮；叶尖泄漏流；周向单槽；涡轮效率；数值模拟；非设计工况中图分类号：V231.1 文献标识码：A 文章编号：1001-4055（2023）08-2204052-09DOI：10.13675/ki.tjjs.2204052Numerical Investigations on Tip Leakage Flow Control of High-Pressure Turbine with Single Circumferential Groove Casing TreatmentSHI Xu-yang1，WU Yan-hui1，2，FAN Xin1（1.School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi an 710072，China；2.Shaanxi Key Laboratory of Internal Aerodynamics in Aero-Engine，Xi an 710129，China）Abstract：In order to verify the control effects of single circumferential groove casing treatment on tip leakage flow in high-pressure turbine，the single circumferential groove casing treatment was introduced into the first stage of GE-E3 high pressure turbine.The control effects of different location，width and depth of single circumferential groove on tip leakage flow was studied by computational fluid dynamics.Meanwhile，the mechanism of the single circumferential groove controlling tip leakage flow was investigated too.Numerical results indicate that the single circumferential groove configuration will increase the size of tip leakage vortex，and it will diminish the intensity of tip leakage vortex and casing passage vortex significantly，thereby leading to a decrease in overall flow losses at rotor channel and a corresponding improvement in stage efficiency.The optimum groove structure*收稿日期：2022-04-21；修订日期：2022-06-22。基金项目：国家自然科学基金（51790512；52176045）；国家科技重大专项（J2019-II-0019-0040）。作者简介：史旭阳，博士生，研究领域为叶轮机械复杂流动机理及流动控制。通讯作者：吴艳辉，博士，教授，研究领域为叶轮机械复杂流动机理及流动控制。E-mail：引用格式：史旭阳，吴艳辉，范鑫.周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究 J.推进技术，2023，44（8）：2204052.（SHI Xu-yang，WU Yan-hui，FAN Xin.Numerical Investigations on Tip Leakage Flow Control of High-Pressure Turbine with Single Circumferential Groove Casing Treatment J.Journal of Propulsion Technology，2023，44（8）：2204052.）周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究第 44 卷 第 8 期2023 年2204052-2obtained at the design condition can reduce the overall flow losses at rotor channel by 9.10%，meanwhile increase the turbine rotor efficiency and the stage efficiency by 0.4%and 0.85%，respectively.Furthermore，the optimum groove structure obtained at the design condition can achieve good control effect at off-design conditions.Key words：High pressure turbine；Tip leakage flow；Single circumferential groove；Efficiency of turbine；Numerical simulation；Off-design conditions1 引 言涡轮作为航空发动机的核心部件之一，其气动性能的优劣直接决定航空发动机的整体性能。对于涡轮部件而言，由于动叶叶顶存在叶顶间隙，并且动叶的吸力面与压力面之间存在压差，因此叶尖泄漏流不可避免的产生，并且其与主流的强掺混而产生的叶尖泄漏涡会使得流场中的二次流强度增强。据统计，由间隙泄漏流直接或者间接造成的气动损失占到转子通道总气动损失的 30%甚至更多1。如何有效减小涡轮叶顶间隙泄漏流引起的流动损失、提升涡轮性能一直是涡轮领域研究热点及难点。流动控制技术根据是否需要额外的能量输入分为主动型和被动型流动控制技术。针对涡轮叶顶泄漏流的主动控制技术包括叶顶喷气2、叶顶射流3等，但是主动型流动控制技术需要额外添加辅助系统来实现，在原本结构就非常复杂的发动机内部并不适用，并且考虑到工程应用的可操作性及结构的安全可靠性，大量的被动型流动控制技术应运而生。叶顶造型和机匣处理是最为常见的涡轮叶尖泄漏流被动控制技术，其中叶顶造型技术包括肋条叶顶4、叶顶凹槽5、小翼叶顶6-8及仿生叶顶造型9等等。虽然叶顶造型技术的控制结果得到了广泛认可，但是叶顶结构造型技术的直接操作对象是叶片本身，首先这对几何造型非常复杂且精密的叶片来说本身就是一种“损害”；其次有些额外的叶顶结构会增加叶片的质量，会对于高速旋转的动叶带来安全隐患；最后在转子叶顶进行复杂的加工后，加工部位的结构安全性能否得到保证仍存在疑问。鉴于以上原因，不对叶片本身进行操作的机匣处理技术具有独特的优势。通过机匣处理技术来成功控制旋转机械叶顶泄漏流10的研究，最早可以追溯到 20世纪初期的压气机机匣上。但是研究结果表明，大多数的机匣处理技术都是以牺牲压气机效率为代价，换取压气机稳定流量裕度的提升11-12，这限制了通过机匣处理技术控制叶顶泄漏流的技术向涡轮领域推广。但赵胜丰等13的研究结果表明：机匣处理技术中的周向槽式机匣处理技术能够在不恶化压气机性能的前提下，使压气机稳定的流量裕度提高约 6.5%，这一研究结果为利用机匣处理技术来控制涡轮叶尖泄漏流的研究提供了切入点。Kavurmacioglu 等14将周向槽式机匣处理技术应用于涡轮平面叶栅中，研究了周向槽的数量、深度和周向槽形状对叶尖泄漏流控制效果的影响，结果表明：在涡轮平面叶栅中引入周向槽，可以明显减小叶栅通道内的流动损失；同时研究结果表明，当周向槽的槽数从一个增加到三个时，叶栅通道内的流动损失降低约1.5%，但泄漏流的流量增加了近一半，考虑到周向多槽结构加工时的难度，因此认为周向单槽是应用在涡轮内控制叶尖泄漏流最为合适的机匣处理手段。Kavurmacioglu 等14的研究结果虽然初步证实了周向槽结构具有调控涡轮叶尖泄漏流的潜力，但是该研究工作是在静止的涡轮平面叶栅上进行的，没有考虑到机匣相对运动对流场的影响，研究表明，涡轮平面叶栅内的流场结构与真实涡轮内的流场有很大差别15-16，因此其研究结果不能直接推广到真实涡轮上；同时 Kavurmacioglu 在周向槽结构参数对控制效果影响方面的研究不全面，没有系统地研究周向槽轴向位置、周向槽宽度及周向槽深度对控制效果的影响。本文将周向单槽式机匣处理引入 GE-E3高压涡轮的第一级，在设计工况下，通过数值模拟手段详细地研究了周向槽结构参数（周向单槽的轴向位置、宽度及深度）对控制涡轮叶尖泄漏流、提升涡轮效率的影响，寻找设计工况下周向单槽的最优结构参数；通过对比设置（设计转速下获得的）最优结构参数周向单槽前后转子通道的流场信息，探究周向单槽结构控制涡轮叶尖泄漏流的机制；以设置设计工况下获得的最优结构参数周向单槽的涡轮为研究对象，研究了其在非设计工况下对涡轮性能的影响。2 研究对象及方法2.1 研究对象及周向单槽结构参数定义本文选定 NASA 高效节能发动机计划中的 GE-E3高压涡轮的第一级作为研究对象，该发动机由美国 GE 公司历时三年经过多轮迭代设计与大量试验推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期2204052-3验证才完成的，代表了当时最为先进的发动机和涡轮设计技术，世界上现役推力最大的发动机 GE90 就是以它为原型改进而来。该高压涡轮的静子叶片和转子叶片几何设计参数与气动参数见文献 17，其中涡轮转子的轴向弦长为 28.6mm，展弦比为 1.23（基于叶片尾缘的高度与叶片中径的弦长），全周叶片总数为 76，设计工况下转子转速（n0）为 12630r/min。图1为周向单槽的结构参数示意图，其中周向单槽的深度为 g，叶尖间隙为t，周向单槽的宽度为 W，周向单槽的轴向位置由周向单槽轴向前缘距离叶片前缘的距离 S决定。2.2 数值计算方法本文数值计算采用商业计算流体力学软件 ANSYSCFX 求解可压缩雷诺平均 N-S 方程组。前期研究表明，湍流模型（Shear stress transport，SST）可准确预测叶轮机械的气动性能及流场细节，因此文中选用 SST湍流模型进行数值计算；文中数值方法采用时间追赶的有限体积法，空间离散采用二阶迎风格式。2.2.1 计算域及网格划分、边界条件设置图 2给出了计算区域的网格分布图，同时给出了叶尖前缘区域、叶尖尾缘区域和叶尖间隙区域的局部网格细节。计算域包括 GE-E3高压涡轮第一级的静子和转子。通道的进口边界位于距离静子前缘 1.5倍静子叶片的轴向弦长处，出口边界位于距离转子尾缘 3 倍转子叶片的轴向弦长处。计算区域网格采用 NUMECA/Autogrid 5生成，在进口区域和出口区域均采用 H 型网格拓扑，在叶片区域内采用 O4H 型网格拓扑。如图 2所示，在近叶片壁面、叶片顶端壁面、机匣壁面以及轮毂壁面上都进行了加密处理，以保证其第一层网格的无量纲高度 y+满足 SST 湍流模型计算要求。机匣壁面、轮毂壁面及叶片表面均以无滑移的绝热光滑固壁进行设置，与转子叶片连接的轮毂壁面与叶片设置为转动外壁面，其余部分均设置为静止固壁面；计算域通道两侧设置为旋转周期性边界条件；由于冻结转子法保证了交接面两侧的计算域的相对位置在计算过程中不发生改变，适用于周向速度变化较大的流动，同时方法考虑到了转静部件的干涉作用，因此转静交界面采用冻结转子法。给定进口为轴向进气，进口总温 1588K，总压为 1258.4kPa，出口背压为 500kPa 以及来流湍流度为 5%作为设计工况下的边界条件，非设计工况下通过调整出口背压来满足涡轮不同的膨胀比要求。2.2.2 网格无关性验证由于涡轮转子叶尖间隙内流场梯度很大，且叶尖泄漏流影响区域内涡系结构模拟是否准确对涡轮流动损失的计算影响很大，因此必须保证叶尖间隙内及主流通道内展向网格的数量。为保证数值模拟结果对网格的无依赖，本文给定静子通道内展向网格层数为 77，改变转子通道及叶尖间隙内的展向网格层数（保证展向网格的分布基本一致），得到四套不同数目的计算网格（其中静子通道的网格数目固定为 122万），分别进行数值模拟计算，具体网格数量及数值模拟计算结果如表 1 所示。当网格数量达到350 万时，继续增加 44 万网格数量，对涡轮级效率的结果影响仅为 0.39%，综合计算准确度及计算成本考虑，Grid 3的网格数量最为适合。2.2.3 数值方法验证 在确定网格数量后，为了验证数值计算方法的可靠性，利用文献 17 的实验数据对计算进行校核。表 2给出了设计工况下，第一级转子出口的计算结果Fig.1Structure diagram of blade with circumferential grooveFig.2Computational domain and mesh周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究第 44 卷 第 8 期2023 年2204052-4（CFD）与实验值（Exp）的对比。从表中可以看出，数值计算得出的各个参数的值与实验值的相对误差均小于 3%，误差产生的原因是模拟计算时未考虑实验中叶片冷却等结构的影响，总的来说，认为本文所采用的数值方法是合理的。3 结果分析本文通过数值模拟研究周向单槽的结构参数对叶尖泄漏流控制和涡轮性能的影响以及周向单槽式机匣处理技术的控制机理。根据 Kavurmacioglu 的研究可知14，周向槽的引入会在局部增加叶顶表面与机匣壁面的间隙，必然会在不同程度上增加泄漏流的流量，因此本文在寻找设计工况下周向单槽的最优结构参数时，不讨论结构参数对泄漏流流量的影响。3.1 周向单槽轴向位置（S）及周向单槽宽度（W）对调控效果的影响参考周向槽式在压气机上应用时周向槽的最优结构参数，首先将周向单槽深度 g固定为 g=1.0%H（H为转子叶片叶高），研究周向单槽轴向位置及宽度对控制效果的影响。3.1.1 当 W=5%Cx（Cx为转子叶片周向弦长）时，S 对周向单槽调控效果的影响为了寻找周向单槽的最佳轴向位置 S，在转子轴向弦长范围内，以 W 为单位长度，划分出 20个不同的周向单槽位置，分别命名为 Groove 120，此时 S 的变化范围为（0%95%）Cx。图 3 给出 Groove 1 和 Groove 20位置示意简图。图 4 给出了涡轮单转子效率提升值R、级效率提升值S、流动损失相对减小量L随 S 的变化曲线图。从图中可以看出：三个参数的变化规律保持一致，这是因为：当L变大时，代表转子通道内的损失降低，因此R变大，进一步反映在S变大。R，S，L及流动损失L的计算式为R=R-R0（1）式中R为引入调控策略后的涡轮转子效率；R0为原始转子的涡轮转子效率。S=S-S0（2）式中S为引入调控策略后的涡轮级效率；S0为原始转子的涡轮级效率。L=L0-LL0 100%（3）式中L0为原始转子通道内的流动损失；L表示引入调控策略后转子通道内的流动损失。L=mpassageToutlets（4）式中mpassage为转子通道流量；Toutlet为转子通道出口截面质量平均静温；s表示通道内损失引起的熵增（参考位置选在转子进口）。如图 4所示，当 W=5%Cx时，在周向单槽的引入位置沿着轴向从前向后移动的过程中，S大体上呈现先增大再减小，最后略微升高直至稳定的规律，即存在一个最佳 S 使得 S达到最大值。依据周向单槽所处的轴向位置，可以将这 20 个算例划分为位于前缘区域 A、中部区域 B和尾缘区域 C三个区域。从图中可知，当引入的周向单槽处在中部区域 B时（即 Groove 714），S对周向槽位置（S）变化非常敏Fig.3Location sketch of single circumferential groove at W=5%CxTable 1 Grid independence testGrid1234Layers rotor49698193Layer tip gap9132133Grids number of rotor passage1.341061.891062.281062.72106Number of mesh nodes2.561063.111063.501063.94106Stage efficiency/%91.2392.6793.4793.84Table 2 Compare CFD result with experimentParameterTurbine expansion ratioMach number at turbine outletFlow angle at turbine outlet/（）Stage efficiency/%Exp2.250.3416.092.5CFD2.2020.33715.5593.47Relative error/%2.10.82.81.05推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期2204052-5感，其中 Groove 9是控制效果最佳且对位置变化最为敏感的位置；当引入的周向单槽处在尾缘区域 C 时（即 Groove 1520），S对 S的变化不敏感，尤其在 C区域后半段（即 Groove 1720）时，周向单槽的轴向位置几乎不影响控制效果；当引入的周向单槽处在前缘区域 A 时（即 Groove 17），S对 S 的敏感程度低于前缘区域 A 但高于尾缘区域 C。在 W=5%Cx前提下，当S=45%Cx时，周向单槽的控制效果达到最佳，此时转子通道流动损失相对减少了 8.10%，涡轮转子效率提升了 0.35%，级效率提升了 0.81%。3.1.2 当 W=10%Cx时，S对周向单槽调控效果的影响为了寻找周向单槽的最优轴向位置 S，在转子轴向弦长范围内，以 W 为单位长度，划分出 10个不同的周向单槽位置，分别命名为 Groove 2130，此时 S的变化范围为（0%90%）Cx。图 5 给出了 W=10%Cx时，S 的变化对R，S和L的影响曲线。与 W=5%Cx时类似，在周向槽的位置从沿轴向从前向后移动的过程中，S大体上呈现先增大再减小，最后在略微升高直至稳定的规律，即存在一个 S 使得S达到最大；按照周向单槽所处的轴向位置，仍可将这 10 个算例划分为位于前缘较敏感区域 A，中部最敏感区域 B 和尾缘不敏感区域 C 三个区域。由 图 5 得，在 W=10%Cx情 况 下，S=40%Cx（即Groove 25）时，转子通道内的总流动损失达到最小，涡轮级效率的提升值最大，说明此时周向槽结构的控制效果达到最佳，与原始涡轮相比，此时转子通道内流动损失相对减少了 8.11%，涡轮转子效率提升了0.35%，涡轮的级效率提升了 0.80%。通过对比 3.1.1 小节和 3.1.2 小节的结论可以得：当周向单槽深度 g固定为 1.0%H 时，在计算涉及的周向单槽宽度变化范围内，引入周向单槽后涡轮的级效率均有所提高，将引入位置在轴向上大致分为前部较敏感区 A，中部敏感区 B 和尾缘不敏感区 C 三个区域；在 W=5%Cx和 10%Cx时，周向槽的最佳引入位置均在中部敏感区 B 内；当 g=1.0%H 时，W 的变化对调控效果影响不大，S对控制效果的影响远大于 W。3.2 周向单槽深度（g）对控制效果影响通过上节的研究发现，在 g=1.0%H 的条件下，Groove 9（W=5%Cx，S=45%Cx）可以很好地对涡轮转子叶尖间隙泄漏流进行调控，提升涡轮转子效率。因此 在 Groove 9 的 基 础 上，改 变 周 向 单 槽 深 度 g 为0.5%H，1.5%H，2.0%H，2.5%H，3.0%H，分 别 命 名 为Groove 3135，对其进行数值模拟计算，对比不同槽深的周向单槽结构对叶尖间隙泄漏流的调控效果。图 6 给出了R，S和L随 g 变化的关系曲线。如图所示，随着周向单槽深度的增加，周向单槽的控制效果先增加后降低，说明在 W和 S固定的条件下，存在一个最佳的周向单槽深度 g 使得控制效果达到最佳。由图得，在W=5%Cx，S=45%Cx的前提下，g=1.5%H时，周向单槽对叶尖间隙泄漏流的调控效果达到最佳，此时转子通道内的流动损失相对减少了 9.10%，涡Fig.6Control effect for different depth of circumferential groove at W=5%Cx,S=45%CxFig.4Control effect for different location of single circumferential groove at W=5%CxFig.5Control effect for different location of circumferential groove at W=10%Cx周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究第 44 卷 第 8 期2023 年2204052-6轮转子效率提升了0.40%，级效率提升了0.85%。至此，得到设计工况下的周向单槽的最优结构参数：W=5%Cx，S=45%Cx，g=1.5%H。3.3 周向单槽结构控制叶尖泄漏流的控制机制为了研究周向单槽提升涡轮性能的物理机制，对比原始涡轮（Baseline）和引入设计工况下获得的最优结构参数周向单槽的涡轮（Groove 32）的流场细节。图 7 给出了引入设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽前后，距离转子前缘 110%Cx处轴向涡量的分布云图。从图中可以看出，引入最优结构参数的周向单槽后，叶尖间隙泄漏涡（TLV）的尺寸减小，其在周向上被拉长并分裂出一条靠近机匣的窄条形涡量，该涡量将 SV 进行切割并抵消其一部分涡量，使得刮削涡（SV）尺寸显著减小，并侵占了 SV 靠近机匣壁面的位置，同时 TLV 的涡核位置在径向方向上移；机匣通道涡（PV）的尺寸明显减小、强度明显减弱，而且其涡核位置上移。图 8 给出了引入设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽前后，距离转子前缘 110%Cx处的周向平均的轴向涡量沿径向的分布曲线。从图中可以看出：转子通道内下半部分的流场在引入周向单槽式前后变化不大，PV的大小、涡核位置等流动结构几乎没有发生改变。对于转子上半部分通道内的流动，在引入周向单槽结构后，SV 的强度降低；TLV 的强度显著降低，其涡核位置在径向方向上移；同时 PV的强度减弱，其涡核位置在径向上上移。图 9 给出了引入设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽前后，距离转子前缘 110%Cx处的总压损失系数()分布云图。从图中可以看出，高总压损失系数区域主要出现在叶尖端区；相较于原始涡轮，引入最优结构参数的周向单槽后，在 TLV 引起的流动损失区域的面积在周向上有所增加，但高流动损失区域的范围减小且在径向方向上移，在周向方向上远离叶片压力面侧；由 PV 引起的高总压损失区域在径向方向上移，且在周向方向上扩大。总的来说，在引入周向单槽后，转子通道内的流动损失有所降低。总压损失系数()定义为=pri-prlpr0-p0（5）式中pri为进口相对总压；prl为当地相对总压；pr0为出口截面平均相对总压；p0为出口截面平均静压。图 10给出了引入设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽前后，Q准则显示的三维旋涡结构的等值面，通过相对轴向涡量渲染得到云图。从图中可以看出，在引入周向单槽后，TLV 的范围在周向上略有增大，但其强度明显减小；而 PV 和 SV 的强度则被明显削弱；另外，在周向单槽的位置处也出现了旋涡Fig.7Diagrams of vorticity Z for different casing type at 110%Cx against blade LEFig.9Diagrams of total pressure loss coefficient for different casing type at 110%Cx against blade LEFig.8Span-wise distributions of circumferential average vorticity Z for different casing type at 110%Cx against blade LE推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期2204052-7结构，该旋涡结构由周向槽流出的流体与主流流体相互掺混而形成；由于周向单槽结构的引入使得转子通道内局部区域的叶尖间隙高度增加，导致叶片前缘马蹄涡被削弱，泄漏涡（TLV）尺寸变大，机匣通道（PV）涡的尺寸减小。由图 10（a）可以看出，在转子轴向弦长的中部区域 B内，PV，SV和 TLV迅速发展，因此，在此区域设置周向单槽的控制效果最为明显，并且控制效果对周向单槽的轴向位置最为敏感。在转子轴向弦长的尾缘区域 C 内，PV，SV 和 TLV 的发展已经完成，因此在此区域设置的周向单槽的控制效果弱于中部区域 B。而在转子轴向弦长的前缘区域 A内，PV，SV和 TLV开始形成，在此区域内引入周向单槽结构会影响这些涡系的生成，因此前缘区域 A内设置周向单槽的控制效果强于尾缘区域 C 但弱于中部区域 B；同时在此区域内，周向单槽的轴向位置对控制效果的影响也强于尾缘区域 C，弱于中部区域 B。这与图 4，5 中曲线图所描述的区域分区相对应。图 11给出了引入设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽前后，转子叶片前缘叶顶区域内沿轴向的一个截面上的总压损失系数分布云图，局部放大图显示了该截面中一部分区域内的流线。从图 11（b）中可以看出，引入最优结构参数的周向单槽后，泄漏流流体在跨过叶顶时流动损失显著增加，原因在于：A 区域由于周向单槽内流出的流体与主流流体进行掺混导致动能的降低，这部分低能流体在 C区域会由于与主流速度存在速度差，导致额外产生剪切损失，同时 B 区域由于流体流入周向槽时被迫转向也会带来额外的动能损失，因此泄漏流流体的动能在周向单槽和间隙内被大量消耗，跨越叶顶后的泄漏流流体的流速显著降低，导致其在叶顶吸力面侧附近产生的泄漏涡尺寸明显变大但强度显著减小。图 12给出了引入设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽前后，多个流向截面上叶尖端区附近的相对总涡量分布云图。如图所示：以 TLV 的发展过程为例，在截面 S1和 S2上，引入周向单槽后，虽然这两个截面上 TLV 的尺寸在周向上略有扩大，但涡核处的涡量强度明显下降，同时 TLV 的位置在径向方向上有所上移；以 PV 的发展过程为例，在截面 S3和 S4 上，引入周向单槽后，这两个截面上 PV 的尺寸明显减小，但涡核处的涡量强度明显下降，同时 PV的位置在径向方向上也有所上移。3.4 周向单槽变工况的调控效果研究上文仅在设计工况点对周向单槽的结构参数进行了寻优，并解释了设计工况下获得的最优结构参数 的 周 向 单 槽（Groove 32）的 调 控 机 理。本 节 以Groove 32 为 研 究 对 象，分 别 在 80%，90%，100%和Fig.10Vortex structures near the tip gap of rotor at different casing typeFig.11Diagrams of total pressure loss coefficient for different casing type at groove region周向单槽机匣处理调控高压涡轮叶尖泄漏流的数值研究第 44 卷 第 8 期2023 年2204052-8110%设计转速条件下，计算不同落压比时涡轮的流量和级效率（其中落压比的改变是通过改变出口背压来实现的），研究周向单槽在非设计工况条件下对叶尖间隙泄漏流的调控效果。图 13 给出了在不同的工况条件下，涡轮总流量与落压比的关系图。从图中可以看出，在本文涉及的所有工况下，周向单槽的引入对涡轮总流量几乎没有影响。图 14 给出了不同的工况下，落压比与涡轮级效率的关系图。从图中可以看出：与 Baseline 相比较，当工作转速小于设计转速时，Groove 32 的级效率在全落压比条件下都有提升；当工作转速大于等于设计转速时，在落压比较小时 Groove 32控制效果较小，随着落压比的升高，其控制效果逐渐增大。综上所述，在本文计算的工况下，周向单槽的引入对涡轮流量影响很小，周向单槽的引入均可以提升涡轮的级效率。4 结 论本文通过研究，得到以下结论：（1）当 W 固定时，根据周向单槽的控制效果，可将引入位置在转子轴向方向上大致分为前部较敏感区 A，中部敏感区 B，尾缘不敏感区 C；对于不同的 W，均存在一个最佳的 S使得控制效果达到最佳，研究表明最佳的引入位置在中部敏感区 B；且在 g固定时，控制效果受周向单槽宽度的影响远小于周向单槽的轴向位置。（2）在 S 和 W 固定的条件下，存在一个最佳的 g使得控制效果达到最佳。本文在设计工况下得到的周 向 单 槽 最 优 结 构 参 数 为：W=5%Cx，S=45%Cx，g=1.5%H。与原始涡轮相比，此结构参数的周向单槽可以使得转子通道内的流动损失相对减少 9.10%，涡轮转子效率提升 0.40%，级效率提升 0.85%。（3）从流场结构上来分析，虽然周向单槽结构的引入会使得 TLV 尺寸略微增加，但漏涡核心区的涡强度明显降低；周向单槽结构的引入可以显著减弱PV强度和尺寸，总的来说，周向单槽的引入使得涡轮Fig.13Total mass flow rate of turbine at different expansion ratio and rotating speedFig.12Diagrams of relative total vorticity for different casing type inside the rotor passageFig.14Stage efficiency of turbine at different expansion ratio and rotating speed推进技术2023 年第 44 卷 第 8 期2204052-9转子通道内的流动损失降低，涡轮效率提高。（4）在本文所涉及的非设计工况下，引入设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽前后，涡轮总流量几乎不受影响。周向单槽结构均有良好的控制效果，具体来说：当工作转速小于设计转速时，设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽结构在全落压比条件下都可以有效提升涡轮的级效率；当工作转速设计转速时，在落压比较小时，设计工况下获得的最优结构参数的周向单槽结构的控制效果较小，随着落压比的升高，其控制效果逐渐增大。本文是对周向单槽式机匣处理方法调控叶尖泄漏流的初步研究，目前没有考虑到叶片冷却结构对控制效果的影响。但是涡轮作为发动机热端部件，冷却结构必然会对其流场产生很大影响，因此下一步研究会考虑冷却结构的影响。同时本文的研究结果表明：周向单槽的存在，会使得主流的高温燃气涌流入槽内，并会在槽内产生漩涡结构，这会增加主流与周向单槽内壁的换热，使得周向单槽处机匣的温度上升。为了缓解这一情况，后续的工作考虑在保证周向单槽对间隙泄漏流的控制能力的前提下，在槽内增加其他结构来缓解这部分温升，相关研究正在进行中。致 谢：感谢国家自然科学基金和国家科技重大专项的资助。参考文献 1 Booth T C.Importance of Tip Clearance Flows in Turbine Design R.Belgium：Von Karman Institute 1985.2 周治华，陈绍文，兰云鹤，等.叶顶不同位置喷气对涡轮间隙泄漏流动的影响 J.推进技术，2016，37（5）：879-885.（ZHOU Zhi-hua，CHEN Shao-wen，LAN Yun-he，et al.Effects of Tip Injection in Different Locations on Clearance Leakage Flow of TurbineJ.Journal of Propulsion Technology，2016，37（5）：879-885.）3 王宇凡，张伟昊，邹正平，等.凹槽叶顶冷气射流对涡 轮 叶 尖 泄 漏 流 动 的 影 响J.工 程 热 物 理 学 报，2021，42（3）：619-625.4 Camci C，Dey D，Kavurmacioglu L.Aerodynamics of Tip Leakage Flows near Partial Squealer Rims in an Axial Flow Turbine Stage J .Journal of Turbomachinery，2005，127（1）：14-24.5 包幼林，曾飞，甘明瑜，等.凹槽叶顶构型对涡轮转子尖区漩涡演化的影响 J.推进技术，2022，43（4）：210575.（BAO You-lin，ZENG Fei，GAN Ming-yu，et al.Effects of Squealer Tip Configuration on Vortex Evolution in Tip Region of Turbine Rotor J.Journal of Propulsion Technology，2022，43（4）：210575.）6 Coull J D，Atkins N R，Hodson H P.Winglets for Improved Aerothermal Performance of High-Pressure TurbinesJ.Journal of 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