阶跃诱导涡流对高压涡轮级环缝气动性能的影响

《Aerospace Science and Technology》：Effects of Step-Induced Vortex on Rim Seal Aerodynamic Performance in High-Pressure Turbine Cascade

　　泰亚布·拉扎·沙阿|康子宇|刘瑞林|谢彦松|周超
中国北京100871，北京大学力学与工程科学学院涡轮机械实验室

摘要
有效的轮缘密封对于降低与涡轮腔体净化流相关的空气动力损失至关重要。本研究探讨了高压涡轮级中阶跃诱导涡旋对轮缘密封空气动力性能的影响。通过稳态RANS模拟研究了带有和没有后向阶跃的轴向密封及倾斜密封的情况。阶跃诱导涡旋是由后向阶跃处的边界层分离以及随后的剪切作用导致的卷起而形成的。数值结果表明，该涡旋会形成一道空气动力屏障，减少主流气体进入密封间隙。然而，这一效应会导致靠近轮毂区域的流体产生径向上升，并使泄漏流从吸力面移向叶型中部，从而增加二次损失。通过详细的熵分析来分解这些损失机制。分析表明，阶跃诱导涡旋会通过额外的剪切作用增加粘性耗散。总体而言，粘性耗散是主要损失机制；但在净化流与主流流的相互作用面上，热混合成为主导损失机制。在净化流速较低时，阶跃诱导涡旋决定了损失的大小，从而削弱了倾斜净化注入角的优势。通过对阶跃高度的敏感性分析发现，存在一个最佳高度，在该高度下阶跃诱导涡旋核心恰好形成于密封出口处，从而实现密封效率与损失的平衡。低于或高于此高度时，密封性能都会下降。研究发现，空气动力损失与阶跃高度呈线性关系。本研究确定了阶跃诱导涡旋的大小和位置是控制密封效果与空气动力损失之间权衡的关键因素。

引言
主流气体进入转子-定子盘腔会对涡轮级的效率及表面完整性造成损害。因此，需要高效的二次空气系统来减少多余的净化流。为此，人们在盘边缘安装了被称为轮缘密封的特殊密封结构。已有大量研究阐述了影响轮缘密封性能的各种因素，包括叶片势场带来的主流流动压力不对称、转子旋转的影响以及内部密封几何结构的作用。然而，上游后向阶跃的影响至今仍缺乏定量分析（如图2b和图2d所示）。

伊顿[1]首次建立了上游后向阶跃的基本流动物理机制，他发现分离的剪切层会卷曲成连贯的展向涡旋，从再循环区吸入流体，然后在下游重新附着。这些特征——分离、涡旋形成、流体吸入以及重新附着——对于理解上游阶跃如何改变涡轮级中的近壁面流动至关重要。雷德尔和丹豪尔[2]将这一物理机制应用到涡轮净化流研究中。通过实验，他们发现阶跃会引发主流边界层分离，这些分离的边界层会卷曲成连贯的马蹄形涡旋系统。该涡旋系统以及其与下游通道涡旋的相互作用，对净化流相对于主流流的方向极为敏感。不过，他们的研究仅关注了净化流角度的参数变化，并未与无阶跃的基准配置进行比较，因此阶跃诱导分离对损失产生的净贡献仍未得到量化。罗萨·布兰科和霍德森[3]研究了上游后向阶跃和前向阶跃对低压涡轮级空气动力损失的影响，将这两种阶跃几何结构与平壁面基准配置进行了对比。他们的研究没有涉及上游腔体或净化流，结论是后向阶跃由于与叶片压力面分离泡的相互作用较弱，因此产生的损失比前向阶跃和平壁面基准情况都要小。在另一项研究中，罗萨·布兰科等人[4]进一步加入了上游腔体和净化流，他们的研究结果依然表明，后向阶跃在空气动力损失方面仍优于前向阶跃。不过，这些结论具有很强的几何结构特异性，因为它们依赖于是否存在主导壁面流动物理特性的大型压力面分离泡。至关重要的是，这些基础研究主要关注损失机制，而没有探讨阶跃对主流气体进入盘腔的影响。

波波维奇和霍德森[5]将上游阶跃的研究扩展到高压涡轮轮缘密封的具体场景，同时分析了空气动力损失和密封效果。他们的参数研究显示，在所有测试条件下，后向阶跃都会带来负面影响：它不仅会增加空气动力损失，还会降低密封效率，相比平直上游配置而言更是如此。相反，前向阶跃在较小的阶跃高度和较低的净化流比例下能够降低损失。尽管轮缘密封结构中普遍存在后向阶跃，但波波维奇和霍德森[5]仍是迄今为止唯一同时量化了这一几何特征对密封效果和损失影响的已发表研究。他们得出的结论——即后向阶跃在所有测试条件下都有害——为后续研究提供了重要基准。不过，这项研究仅考察了一种特定的重叠密封几何结构。目前还没有任何已发表的研究能够系统地将阶跃作为控制变量，在多种密封配置（轴向密封与倾斜密封）中进行对比，直接与无阶跃的基准配置比较，并同时量化密封效率与损失大小。

本研究旨在填补这一空白，通过研究高压涡轮叶片通道中离散的阶跃诱导涡旋的形成过程，及其对密封效果和空气动力损失的影响，来探索这一问题。研究中将阶跃作为控制变量，在轴向密封和倾斜密封配置中进行系统分析。密封性能通过基于温度的密封效率指标来量化。为确定空气动力损失的物理机制，还进行了详细的熵产生分析。此外，还开展了阶跃高度敏感性研究，以确定能够提升密封性能的最佳阶跃诱导涡旋特性。通过明确涡旋增强密封与涡旋诱发损失之间的基本权衡关系，本研究为优化轮缘密封设计提供了新的理论依据。

章节摘录
CFD计算域与边界条件
计算域为高压燃气轮机叶片（PKU12）的三维线性级联模型。在轮毂处设置了代表性的上游轮缘密封腔体，以便分析净化流与主流通道流之间的相互作用。共研究了四种轮缘密封配置：轴向密封、倾斜密封，以及在这两种几何结构上添加后向阶跃的版本。计算域如图1所示。

整体性能与流场分析
轮缘密封的空气动力性能通过密封效率（ηs）和综合总压损失系数（Yp,seal）来量化。为了分析性能趋势，研究了9种不同的泄漏比例（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%和0.9%的泄漏分数）。图6展示了四种轮缘密封配置的空气动力性能，包括轴向密封、倾斜密封以及带有后向阶跃的两种几何结构。引入后向阶跃后……

阶跃高度敏感性研究
为评估阶跃高度对阶跃诱导涡旋形成及密封空气动力性能的影响，研究了四种不同的阶跃高度：V1（0.008 h/Cx）、V2（0.016 h/Cx）、V3（0.023 h/Cx）和V4（0.03 h/Cx）。图19展示了阶跃高度对密封效率（ηs）和综合总压损失系数（Yp,seal）的影响。数值结果表明，所测试的最小阶跃高度（V1，0.008 h/Cx）时……

结论
本文通过数值研究，探讨了高压涡轮级中阶跃诱导涡旋对轮缘密封空气动力性能的影响。研究的配置包括轴向密封和倾斜密封几何结构，每种结构又分别考虑有无后向阶跃的情况。研究分析了阶跃诱导涡旋如何影响净化流与主流流之间的相互作用。通过详细的熵产生分析，明确了背后的损失机制。研究结果表明……

术语表
h：阶跃高度
k：热导率
m˙：质量流量
p：叶型弦长
˙″′gen：体积熵产生率
ux：x方向速度分量
vy：y方向速度分量
wz：z方向速度分量
x：沿轴向弦长的位置
y：沿叶型弦长的位置
z：沿展向的位置
CT：真实弦长
CP0：总压系数
Cωs：无量纲顺流向涡度
Cx：轴向弦长
LF：泄漏分数
LSV：泄漏槽涡旋
MM：马赫数
P：静压
P0：总压
PV：通道涡旋
SS：展向高度
Re：雷诺数
TT：温度
TS-CR：尾流脱落现象

资金支持
本研究得到了中国国家自然科学基金（NSFC）项目编号U2541280以及石家庄市与北京大学合作的专项资助。

作者贡献说明
泰亚布·拉扎·沙阿：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化处理、验证工作、方法设计、研究实施、正式分析。康子宇：写作——审稿与编辑。刘瑞林：写作——审稿与编辑。谢彦松：写作——审稿与编辑。周超：写作——审稿与编辑、可视化处理、验证工作、监督指导、资源协调、项目管理、方法设计、研究实施、资金申请、正式分析、概念构思。

数据可用性
数据将应要求提供。

CRediT作者贡献分类
泰亚布·拉扎·沙阿：写作——初稿撰写、方法设计、研究实施、正式分析、数据整理、概念构思。康子宇：写作——审稿与编辑。刘瑞林：写作——审稿与编辑、软件使用。谢彦松：写作——审稿与编辑、软件使用。周超：写作——审稿与编辑、可视化处理、监督指导、资源协调、正式分析、概念构思。