题目：端区复杂密封结构泄漏流对涡轮气动性能的影响

作为航空发动机三大核心部件之一，涡轮部件微小的技术进步都会对发动机总体性能产生重大影响。为了满足不断提高的发动机性能的要求，对于涡轮部件而言希望其具有更高的气动负荷、更高的气动效率和冷却效率以及更好的可靠性。未来高负荷高效率涡轮的设计不但涉及涡轮内部三维流动的精细组织，而且必须要对主流与封严气流、冷却气流的相互作用进行综合考虑。本文围绕涡轮端区复杂密封结构泄漏流动与主流相互作用的物理机制这一核心问题，对相关内容展开系统而深入的研究。

涡轮中转静叶片排之间的封严气阻碍主流高温燃气进入盘腔，但是封严气与主流的掺混过程对涡轮气动性能带来了不利的影响。本文采用数值模拟的方法，围绕轮毂封严出流与主流的相互作用，详细分析了考虑封严出流后涡轮性能、气动设计参数以及端区流动结构的变化，在此基础上揭示了轮毂封严出流的损失来源和损失机理，同时探讨了不同封严流量和不同喷射角度对主流流动的影响。研究表明，封严气流以负攻角状态进入转子通道，恶化了转子根部的流场，导致轮毂附近载荷系数和流量系数降低，而反力度有所增加。封严出流附加损失主要来自以下四个方面：涡轮级反力度的变化导致损失在静叶和动叶之间重新分配；封严出流与主流的周向动量差带来的掺混损失；在掺混作用下形成的旋涡发展成为通道涡，增大了端区二次流损失；转子根部出现了气流对涡轮做“负功”的现象，降低了涡轮的做功能力。此外，随着封严流量的增加气动效率显著降低，而采用与转子旋转方向相同的喷射方向能够在一定程度上削弱封严出流引入的附加损失。

轮毂封严结构的几何特征对涡轮端区流动以及气动性能均有重要影响，因此本文在分析流动损失机理的基础上，研究了不同工况下封严腔典型几何结构和关键几何参数变化对涡轮性能的影响规律。考虑封严出流的影响后，端区二次流结构更加复杂：封严腔两个壁面的相对运动产生了封严泄漏涡，主流与封严出流的剪切作用产生了剪切诱导涡。封严泄漏强度较弱，因此耗散较快，而剪切诱导涡强度相对较大，最终发展成为通道涡，占据了端区二次流的主导地位。同时，封严腔几何特征的变化很难同时兼顾气动损失和封严效率，找到满足所有工况的最优封严腔几何结构或者最佳几何参数是非常困难的。

在非定常涡轮级环境下，相邻叶片排的位势作用也是影响封严出流的一种重要因素，因此本文对封严出流与端区流动的非定常相互作用进行了研究。研究表明，封严出流对上游导叶的影响主要体现在对端区流动特别是吸力面流动的堵塞作用。这种堵塞作用使得吸力面流动的膨胀程度减弱，叶片表面分离损失和端区二次流损失有所减小，封严流量越大这种作用越明显。封严流量较小时，封严腔内存在与叶片数无关的大尺度压力团和远小于叶片通过频率的低频脉动，这时上游导叶的位势场对封严出流的影响起主导作用。与此同时，封严出流沿周向的不均匀性较强，直接影响转子通道出口二次流沿周向的分布。当封严流量增大后，大尺度压力团和低频脉动基本消失，转子通道出口二次流沿周向的分布更加均匀，但此时封严气流与主流的剪切作用增强，封严腔与主流通道交界处出现了Kelvin-Helmholtz不稳定旋涡结构，这是考虑封严出流后流动非定常性的主要来源之一。

叶冠作为涡轮叶尖非常典型的一种密封形式，在涡轮设计中的应用越来越广泛。本文最后围绕叶冠泄漏流与主流的相互作用，探讨了篦齿封严特性、叶冠泄漏附加损失来源以及叶冠几何参数变化对涡轮气动性能的影响。研究表明，叶冠泄漏附加损失主要来自于进出口腔体摩擦损失、泄漏损失、泄漏流与主流的掺混损失以及下游叶片排攻角损失，减小叶冠进口腔体宽度或增加叶冠前缘长度对提高涡轮气动效率是非常有利的。此外，根据篦齿封严的膨胀比流量系数特性曲线初步建立了估算叶冠泄漏流量的经验公式，通过对比与三维计算结果吻合较好。