高压转子-机匣射流冷却对1.5级汽轮机工作点和性能的影响:实验、计算和理论研究( Impact of HP rotor-casing effusion cooling on operating point and performance of a 1.5-stage turbine: an experimental, computational, and theoretical study )

MG Adams P Adami M Collins PF Beard T Povey

众所周知，转子-机壳渗流冷却的一个次要影响是改变和潜在地破坏转子顶部泄漏流。研究表明，对高压(HP)级气动性能和换热有正负两方面的影响，但在同时考虑气动和热效应的情况下，净效应是否有利仍未达成共识。一个在文献中没有广泛讨论的影响是由于机器中途引入质量而引起的阶段操作点的变化。这种影响使分析涡轮机的真实性能影响变得复杂，必须在评估这样一个系统的整体效益时加以考虑。在本文中，我们发展了一个低阶（“均值线”）分析，试图使这个问题变得清晰。然后，我们介绍了在牛津涡轮研究设施中进行的实验结果，这是一个1.5级跨音速旋转设施，能够匹配无量纲发动机条件。在实验中，在转子机壳的24度或4个转子叶片节距的扇区上实施了渗流冷却。对冷却段进行了局部转子出口径向横移和高压叶片载荷测量。结果与未冷却的基线测试进行了比较。为了评估在环空（类似发动机）环境中，仅有环空冷却部分的实验结果能提供准确指示级工作点变化的程度（当在环空局部测量时），进行了非定常雷诺平均纳维尔-斯托克斯(URANS)模拟。特别地，将带有渗流冷却扇区的全环空模拟与带有环形渗流冷却的周期模拟进行了比较。结果--也许令人惊讶--表明一个冷却的扇区足以推断环形系统的变化，前提是在扇区的局部进行测量。在固定的1.5级边界条件下进行的实验表明，随着冷却，中间级静压和级出口总压都有所增加。平均线模型和URAN的预测结果与实验数据吻合较好，并且表明随着冷却的进行，级反应增加，涡轮入口（主流）质量流量减小。最后，利用URAN预测结果表明，随着冷却，冷却后的机壳局部（叶尖泄漏和二次流结构的变化）和整体（体流速度三角形的变化）都发生了变化。当冷却剂与主流质量流量比为2.2%时，级效率的绝对效益为0.7%。通过在不同的边界条件下进行定常RANS模拟，估算了工作点和叶尖区空气动力学变化对效率提高的相对贡献。对于目前的结构，这两个变化都对提高级效率有积极的贡献。

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