透平叶片顶部间隙流动特性的实验和数值研究

张 洪，王建华，张清波

（中国科学技术大学热科学与能源工程系，合肥 230027）

0 引 言

在现代燃气透平叶片设计中，动叶片顶部应该尽量接近透平环形的固定壁面，同时又必须留有一定间隙，以适应叶片因离心力及受热引起的伸长和固定壁的热变形。在叶片压力面和吸力面之间的压差驱动下，来自燃烧室的高温气体穿过这个顶部间隙，称之为泄漏流。泄漏流将导致以下4个棘手问题：

（1）泄漏流在压力、吸力面之间的压差驱动下穿过叶片间隙后与通道中的主流气体混和，产生泄漏涡，导致较大的总压损失；

（2）由于粘性作用，泄漏流在固定环壁和叶顶表面形成流动边界层，边界中的气流速度比转子在叶顶处的线速度小，转子运动时受到这部分气流的阻力作用又造成一定程度的摩擦损失；

（3）泄漏流直接穿过叶片间隙，没有对叶片做功，因此产生透平级效率损失。这种损失在一定范围内随着间隙距离的变化而不同。文献［1］指出间隙为叶片高度1%时将产生1%～2%的主流泄漏损失，从而降低1%～3%的透平级效率；

（4）高温泄漏流与叶片顶部壁面的对流换热增大，使得整个叶片顶部表面热负荷最高，从而导致叶片寿命缩短。

长期以来，人们对叶顶间隙泄漏流特性及高温泄漏流与叶片顶部、压力面和吸力面换热特性做了大量研究，并在此基础上，改进旋转叶片顶部结构设计，增加凹槽式迷宫密封及气膜孔冷却顶部，这样既可以减少泄漏流量，又可以冷却叶片顶部。……