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多级带冠动力涡轮多工况非定常流动匹配机理研究

摘要

随着船舶燃气轮机的发展，船用燃气轮机动力涡轮具有在大范围变工况的工作特点，

其工作状态大部分处于非设计工况下；而处于非设计工况下的动力涡轮内部相比于设计

工况，内部流场容易发生分离流动的现象，使得进出口气流角以及速度三角形等发生改

变，低工况下产生额外的气动损失，影响涡轮的正常工作及性能，从而降低整机效率。

目前，国内外对于宽工况多级动力涡轮匹配机理研究较少且分散，结合端区叶冠结构以

及轮缘密封结构以还原涡轮真实工作环境的研究也较少。因此，开展了多级动力涡轮多

工况下级间匹配机理研究，并且通过优化改进端区结构以寻求对多级动力涡轮多工况下

级间流动传递的调控措施，这对于高效宽工况动力涡轮的应用设计及性能提升具有比较

重要的理论意义与工程应用价值。

首先，以某三级动力涡轮为研究对象，开展了多级动力涡轮级间匹配机理研究工作，

通过非定常数值计算手段，对比分析了该多级动力涡轮在设计工况和两个低工况下的内

部流场分布差异，深入分析了工况条件的改变对多级动力涡轮叶片载荷、进出口气流角

及速度、损失分布的影响规律。相比于设计工况，在两个低工况条件下，涡轮内部工质

流速降低，从第一级动叶开始流动发生分离，从而恶化下游叶片流场，改变了出口气流

角及速度分布，叶片表面载荷变化剧烈，出现明显逆压梯度，恶化了涡轮级间匹配特性；

同时随着工况的降低动叶出口上下端区损失增加，泄漏流与主流掺混加剧，通道涡与封

严出流的作用加强，冠腔内的损失增加并且腔内残留工质增多，在静叶出口受上游尾迹

和涡系作用损失加剧；其中0.3工况下涡轮的等熵效率相比于设计工况降低了5.3%左

右。

其次，为了寻求多级动力涡轮级间流动传递的控制措施，改善低工况下动力涡轮级

间匹配特性，针对随着工况的降低叶片出口端区损失增加这一现象，开展了端区叶冠容

腔结构的优化改进工作，发现随着冠腔机匣侧端壁弯曲角度的降低，下游静叶流场的分

离程度降低，同时伴随着叶片表面载荷变化剧烈；当间隙增加时，会改变出口气动参数

的分布，对下游叶片的气动性能带来不利的影响，恶化级间匹配特性，当间隙减小时，

冠腔内高损失区域减少，叶片出口80%叶高及以上位置的损失同样减少并且改善了下游

静叶流场的分布；通过对比几种改进方案发现，当冠腔前端壁弯曲140°，后端壁弯曲

120°，同时间隙减小这一端区叶冠结构在设计工况与低工况下使得该型多级动力涡轮

整体性能得到提升，有效改善了涡轮上部端区流场，在0.3工况下相比于原型涡轮的等

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熵效率提升了0.62%。

最后，针对工况的降低主流入侵轮缘密封结构加剧的现象，通过开展轮缘密封结构

的改进以探求对多级动力涡轮级间匹配的控制方法，进行非定常数值计算，对比分析了

不同改进形式下密封结构的流场分布特性。工况的降低导致主流入侵加剧，恶化级间匹

配特性，不同的密封结构主要影响10%叶高及以下位置的气动参数分布，通过减小密封

腔室轴向长度并增设凸台结构的改进形式不仅减弱了主流的入侵，还增加了封严冷气的

出流速度，增强封严效果，减小了叶片出口损失并且改善下游静叶的入口气流角分布，

减弱了流动分离，在0.3工况下相比于原型效率提升了0.3%。在上下端区的改进形式下，

在0.3低工况时涡轮效率相比于原型提升了0.7%，在设计工况下相比于原型提升了

0.45%。

本文研究获得的多级动力涡轮级间匹配特性及端区结构的优化改进措施，可为船用

燃气轮机在多工况下运行级间流动传递的改善提供相关思路和方案参考。

关键词：多工况；多级带冠动力涡轮；匹配机理；非定常；端区流动

多级带冠动力涡轮多工况非定常流动匹配机理研究

Abstract

Withthedevelopmentofmarinegasturbines,marinegasturbinepowerturbineshavethe

characteristicsofworkinginawiderangeofvariableworkingconditions,andmostoftheir

workingconditionsa