迷宫密封泄漏流对多级轴流压缩机性能的影响

今日为大家带来一篇发表于《Aerospace Science and Technology》期刊的研究论文，该论文聚焦于迷宫密封泄漏流对多级轴流压缩机性能及流场特性的影响，研究成果对提高压缩机效率和优化设计具有重要意义。
PART 01研究背景与目的多级轴流压缩机在燃气轮机中广泛应用，但静动部件间的间隙会导致泄漏流，影响主流和二次流，降低压缩机性能。此前虽有研究探讨泄漏流对压缩机性能的影响，但对于考虑定子与转子间泄漏流传播及多级流影响的总压损失和其他流场特性研究尚不充分。本研究旨在深入探究多级轴流压缩机详细流场特性与迷宫密封泄漏流的关系。PART 02研究方法物理模型以一台带进口导叶（IGV）的三级轴流压缩机为研究对象，其在跨音速条件下运行，设计压力比约为 2.5。压缩机转子叶片采用多圆弧型线，定子叶片为双圆弧型线。实验中使用的迷宫密封配置被应用于本次研究，同时对比有无迷宫密封时压缩机的性能和流场行为。
数值模拟采用商业软件 ANSYS CFX，运用三维可压缩非定常雷诺平均纳维 - 斯托克斯（URANS）方程结合剪切应力输运（SST）湍流模型进行数值模拟。时间积分采用二阶向后欧拉法，时间步长为 8.33e - 6 s，每个时间步进行五次内部迭代。设定 IGV 进口和第一级迷宫密封进口的总压和总温，以及第三级定子出口和第三级迷宫密封出口的平均静压。为处理各域间的交界面，调整了定子和转子的叶片数以保证相同节距，经网格独立性测试后，确定压缩机主流道网格总数为 720 万。
PART 03研究成果泄露流特性1.利用瞬态转子 - 定子交界面方法模拟发现，迷宫密封泄漏流随旋转波动，第二级定子处的泄漏波动相对较高，影响混合损失和主流流型。2.经时间平均和归一化处理，第三级定子的泄漏流量最高（0.41%），IGV 和第二级定子为 0.27%，第一级定子最低（0.13%）。3.通过观察一级定子叶片上的三维流线，发现泄漏流在一级定子轮毂附近形成回流区，并与回流混合，部分泄漏流进入一级定子出口间隙；二级定子叶片上的流线显示，泄漏流从入口间隙出发，流经轮毂区域后在下游分流。
压缩机性能与总压损失1.迷宫密封应用使一级定子总压降增加，三级定子总压降降低，二级定子总压降在有无迷宫密封时相似。2.考虑泄漏流时，一级和二级转子效率提高，三级转子效率降低，导致整个压缩机级效率降低约 0.4%，表明泄漏流干扰主流，降低压缩机性能。3.泄漏流影响主流和轮毂附近区域的总压损失系数，改变主流流型和级间匹配，但叶尖和机匣区域总压损失变化较小。一级定子总损失在 0% - 15% 跨度内增加，导致总压降上升；一、二级转子考虑迷宫密封时平均总压损失降低，三级转子则增加。
流场特征与堵塞结果1.表面流线显示，有迷宫密封的一级定子出现轮毂角失速，且泄漏流增强了回流特性；三级定子轮毂区域的轮毂角失速核心尺寸减小，原因是其入口前泄漏流方向向外，未注入主流，表明泄漏方向对压缩机性能影响重要。2.熵轮廓图表明，有无迷宫密封时，密封间隙处熵分布不同。有迷宫密封时，IGV、一级和二级定子入口处通过密封间隙的流熵增加，一级定子轮毂附近因轮毂角失速出现高熵区；三级定子因轮毂角失速消失，部分通道熵降低，说明泄漏流对压缩机轮毂区域流场特性影响显著。3.采用 Suder 方法量化堵塞发现，除末级定子外，有迷宫密封的定子和转子堵塞高于无迷宫密封情况。一级定子堵塞增加最多，三级定子堵塞减少最明显（从 11.6% 降至 8.3%），主要原因是一级和三级定子的轮毂角失速。有迷宫密封的二级定子堵塞在整个跨度内增加，这解释了一级转子平均堵塞增加的原因。