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叶尖间隙对微涡轮叶栅内流影响机理与叶尖逆向涡控研究

微型涡轮发动机以其重量轻、功率大、能量密度高的优势被广泛应用在军/民用领域,近年来得到了***关注和发展。微型涡轮发动机尺寸显著减小带来的工作雷诺数低及较大的叶尖间隙比阻碍了其性能的进一步提高,而国内外对微型涡轮发动机这方面的研究较少或未见公开报道。因此,本文针对影响微型涡轮叶片性能的低雷诺数和叶尖间隙问题开展了研究,主要包括以下内容:

(1)将新型非接触式压敏涂料测压技术应用在毫米尺度流场领域,自主研制该测压系统的部分子系统,包括设计基于LED阵列的激发光源系统、加装显微放大系统、喷涂及热处理设备;设计了压敏涂料测压技术的标定系统并完成典型压敏涂料的标定实验;建立了一套完整的适用于毫米尺度流场领域的压敏涂料测压系统,应用该测压系统研究了毫米尺度微涡轮叶栅低雷诺数及叶尖间隙对吸力面压力的影响。

(2)以数值模拟和实验测量相结合的方法研究了毫米尺度微涡轮叶栅低雷诺数流动特征,揭示了微叶栅通道主要二次流的形成、发展及其相互作用;毫米尺度叶栅低雷诺数时通道涡中心总压损失明显高于常规尺度叶栅,通道涡沿程在栅距方向的影响范围明显增加;在10%轴向弦长之后毫米尺度微叶栅拟S3截面平均总压损失大于常规尺度叶栅,且60%轴向弦长之后平均总压损失急剧上升,远超常规尺度叶栅。

(3)研究了叶尖间隙对毫米尺度微涡轮叶栅流场的影响及其影响机理,发现叶尖间隙内叶片前部气流在吸力面出口已掺混均匀,而在叶片后部速度没有完全掺混,出口为混合速度层;随着叶尖间隙增大,叶尖泄漏流量成比例增加,叶片受到的周向载荷减小,M1=0.1时,叶尖间隙每增加1%,叶尖泄漏流量平均增加17.5%,周向载荷平均降低2%。压敏涂料测压技术对不同叶尖间隙吸力面的测量结果表明5%叶尖间隙吸力面压力分布与10%、15%叶尖间隙吸力面压力分布明显不同,在吸力面后部靠近叶顶处出现高压力区域,与其他间隙时泄漏形成的低压区现象相反。

(4)提出了利用逆向涡流器减小叶尖泄漏流的方法,利用压力面和叶顶面的压力差将气流从主流通道压力面侧引入,在叶顶面以一定角度逆着叶尖泄漏流方向高速射出,从而减小泄漏流量并降低泄漏造成的叶轮损失。对影响逆向涡流器减小叶尖泄漏流的主要因素如孔径比、涡流器布置位置、布置密度以及出流角进行研究,增加涡流器入流与出流孔径比、在叶片中后部布置涡流器、适当减小出流角可以增加涡流器流量、减小叶尖泄漏流量、提高叶片周向载荷。

采用高带宽(100kHz)电涡流传感器，基于真实机组叶尖间隙测量实验台，在不同转速下开展虑及转子振动及轴位移的的叶尖间隙测量实验。文中提出通过电液比例定位系统改变转子位置以实现叶尖间隙主动控制的新方法。电液比例定位系统具有尺寸小、响应快、载荷刚度良好、输出可观及操作简单等优点，广泛应用于工业主动控制领域。通过优化叶顶与机匣内表面的几何形状，将叶尖间隙与转子的轴位移相关联。在不同转速条件下，基于比例积分控制规律得到电液比例定位系统的电压或电流与叶尖间隙的关系。实验结果表明，叶尖间隙随转速的升高逐渐减小，且相对误差不超过20％。后，开展了叶尖间隙测量及主动控制的精度分析与误差分析。

测量中的注意事项：①因为此测量是精密测量，精度是 在0.001mm的范围内，首要注意千分表的指针要与测量面相垂 直，读数时目视方向与表盘相垂直，以保证检测的准确性。②在 测量的过程中，指针需持续压在检测面上，不能离开零件，直到 测量完毕，避免表针离开工件时，再次压到检测面时会发生震 动，使误差加大。③磁铁吸合的工作台要擦拭干净，以免吸合不 稳发生表座移动，影响测量精度。

轴承游隙的测量

轴承游隙测量的方法主要有***仪器测量法、简单测量法及塞尺测量法。

塞尺测量法在现场使用广泛，适用于大型和特大型圆柱滚子轴承径向游隙的测量，将轴承立起或平放测量，若有争议时以轴承平放时的测值为准。

轴承的径向游隙测值和径向游隙测值的确定方法：用塞尺片沿滚子和滚道圆周间测量时，转动套圈和滚子保持架组件一周，在连续三个滚子上能通过的塞尺片的厚度为径向游隙测值。