● 摘要
摘 要
燃气轮机被广泛用作飞机和船舶的动力装置，在燃气轮机中，涡轮的工作环境恶劣，承受的负荷极大，而随着燃气轮机功率的不断提升，涡轮前温度也就是是主流燃气温度也在不断升高。在流动过程中，高温主流燃气极易通过转子和静子间隙处的密封结构“入侵”到盘腔中，引起涡轮盘温度的上升，热应力的急剧增大。由于间隙处密封结构中的流动机理至今不够明确，因此对其研究就显得极其重要，可以为改进涡轮设计，提升涡轮性能提供有力的支持。本文从理论研究、实验测量和数值模拟三个方面对此进行了研究，取得了较好的结果。
本文首先对旋转密封结构的最小封严流量进行了预测研究，研究对象为高速涡轮盘腔，以其封严结构作为封严模型，对不同旋转雷诺数下不同轴向封严间隙的模型进行了数值模拟，获取了封严模型内的流动状态。在封严气流中通入二氧化碳作为示踪气体，采用测量示踪气体浓度的方法绘制封严模型的浓度效率曲线，得出了不同工况下不同封严模型所需的最小封严流量。进而拟合出能够预测封严模型最小封严流量的关系式。
其次，对旋转密封结构进行了实验研究。搭建了实验平台，设计了封严模型，研究了测量点布置方式，构建了测试系统。在不同工况下，使用浓度法对封严模型进行了测量，得出了封严模型在实验条件下的浓度效率曲线。对封严曲线进行分析得到不同工况下不同封严间隙的最小封严冷气量，为与其他两种研究手段的对比分析提供了数据支持。
最后，对实验模型进行了数值模拟研究。模拟工况和封严模型与实验研究完全相同，数值模拟的目的是为了与实验结果进行直观的比对，对比结果可以为改善封严模型数值模拟的精度提供有力的支持。结果分析中对拟合出的最小封严流量关系式，实验测量结果和数值模拟结果进行了全面的对比和分析，发现根据拟合出的关系式得出的最小封严流量，远小于实验测量结果和数值模拟结果，说明最小封严流量关系式高估了模型的封严效率。实验测量结果和对实验的数值模拟结果较为接近，但对实验中的小间隙封严模型的封严效率依然有所高估，对大间隙封严模型的封严效率略有高估。