题目：涡轮盘腔封严流动及其对主流影响的研究

涡轮盘腔封严气体既可以阻止主流燃气入侵盘腔以延长涡轮盘寿命，又对涡轮通道内的流动产生影响，较多的封严气体可以提高封严效率，但对主流带来的影响也较大，目前国内外对流动现象的认识还不够深刻。本文以某单级涡轮前盘腔为对象系统深入研究了燃气入侵的机理及封严气流对主流产生的影响，探索新型波浪形轴向封严结构以兼顾封严冷气提高封严效率和对主流负面影响的关系。

首先，进行了数值计算方法的研究，分析了封严面网格匹配性及三维定常和非定常计算对封严流动数值模拟结果的差异，并与试验结果进行对比。由于封严间隙内是三维非定常强剪切流动，流场参数梯度大，封严面非匹配网格阻碍了封严间隙与主流参数的数值传递，比采用匹配网格非定常计算得到的封严浓度效率在静盘轮缘位置高14%，同时非匹配网格减小了封严气流与主流的相互作用，低估了封严气流对主流产生的负面影响。因此本文都采用三维非定常匹配网格进行数值研究。

其次，采用数值方法研究了简单轴向封严结构时涡轮盘腔及封严间隙内的流动及封严气流对主流产生的影响，并比较了不同封严流量的差异。结果表明盘腔内存在数个涡核结构，其径向位置随着封严流量的增大而向外移动同时非定常波动受到抑制，封严间隙处的流动主要受到燃气入侵的影响，而受到动盘旋转的影响较小。动叶的旋转增强了导叶下游压力的周向不均匀性并使压力周向波动随动叶旋转，封严气体出流主要发生在动叶通道中间及吸力面一侧，燃气入侵主要发生在动叶前缘压力面侧。封严间隙涡位于封严气体出流和燃气入侵之间的区域，并且对封严效果有积极影响。旋转的燃气入侵及出流结构增强了动叶前的马蹄涡强度而对涡轮气动性能产生负面影响。

然后，数值研究了径向封严结构时的封严流动及其对主流的影响。与简单轴向封严结构相比，盘腔内流场的非定常波动减小，而内层轴向封严间隙内的非定常波动增大，由于动盘搭接边的影响，封严间隙涡增多，提高了封严效率。在外层间隙内同样出现了旋转的燃气入侵及出流结构，燃气入侵及出流区域结构数量减少并且相对集中。当封严流量达到一定值时，外层轴向间隙内依然会存在燃气入侵现象，并且封严面上的静压脉动增大很多。封严气体出流对主流产生的负面影响减小，特别是在大封严流量时，说明径向封严结构不仅提高了封严效率，并且对主流带来的负面影响也小。

之后，采用三维非定常数值方法探索了波浪形轴向封严结构时的流动，发现旋转的燃气入侵和出流结构遇到最小间隙位置的静盘轮缘时破裂为较小的涡结构，这些涡结构有利于阻止主流燃气入侵盘腔，相比简单轴向封严结构封严效率最大提高了13.9%。由于旋转的燃气入侵和出流结构的尺度减小，对转子进口流场的影响也减小，特别是在大封严流量时，与简单轴向封严结构相比，转子通道涡强度减弱并向叶根移动，减小了损失，对转子出流流动条件的影响也减小，相比简单轴向封严结构涡轮气动效率最大提高了0.89%。

最后，利用涡轮平面叶栅，采用五孔探针研究了简单轴向封严结构和波浪形轴向封严结构时封严气流对叶栅出口流场的影响，并比较了不同封严流量时出流流场的差异。简单轴向封严结构时，随着封严流量的增大，叶根区域的通道涡增强并向叶中移动，引起叶根总压损失减小，通道涡位置的总压损失增大。波浪形轴向封严结构当叶片前缘封严间隙小时叶根通道涡强度增大并向叶中移动，当叶片前缘封严间隙大时叶根通道涡强度减小并向叶根移动。波浪形轴向封严结构在叶片前缘间隙大时引起叶栅出口损失减小。