论文摘要：基于全环数值模拟的燃气入侵机理研究

在现代航空发动机的空气系统中，有一部分冷却气体被导入涡轮盘腔，用以阻止外环主流高温燃气侵入腔内，故称之为封严冷气。如果封严冷气流量过少，导致主流燃气通过轮缘封严间隙侵入盘腔内部，这种现象即称为燃气入侵。燃气入侵会造成涡轮盘过热，使其使用寿命大大降低，甚至有可能导致发动机运转时出现故障；然而封严冷气流量过多，又会降低发动机的整体性能。因此，研究燃气入侵现象、确定适当的封严冷气流量意义重大。现有的数值研究多着眼于较为简化的扇形涡轮级模型；或者采用完整的涡轮级模型，却仅对特定工况下的燃气入侵现象进行描述，缺乏较为细致的解释与分析。

在实际发动机中，影响燃气入侵的因素较多，作用机理非常复杂。本文以转静系涡轮盘腔中的轴向封严结构为研究对象，利用计算流体力学软件，选用全环模型进行数值模拟，探究在外环主流为均匀轴向流动时燃气入侵的主要影响因素的作用规律。本文首先分析了外环主流、封严冷气以及动盘旋转各自对燃气入侵的影响作用；然后通过理论分析、关系式推导，整合了这三个因素对燃气入侵的影响；随后通过整理大量的算例，得到了判断封严区域流动形式的拟合曲线，为确定最小封严冷气流量提供了参考，并为外环主流为非均匀流动时的研究打下了基础。

研究结果表明：外环主流、动盘旋转以及封严冷气对燃气入侵均有明显影响。在动盘旋转雷诺数与封严冷气流量一定时，主流轴向雷诺数增加，封严区域依次呈现燃气沿静盘入侵、燃气基本不入侵、燃气沿动盘入侵等三种流动形式；封严冷气流量增加，有利于降低腔内燃气浓度，使流动形式由燃气沿静盘或动盘入侵转变为燃气基本不入侵；而动盘旋转雷诺数增加，会导致燃气入侵程度加深，腔内燃气浓度增加。各因素的影响可用特定速度来表征，其相对作用可用速度比来表示。根据封严附近的流动形式，以速度比为坐标的坐标图可分为三个区域：在燃气沿静盘入侵的区域，动盘旋转对流动形式起着主导作用；在燃气基本不入侵的区域，封严冷气对流动形式起着主导作用；在燃气沿动盘入侵的区域，外环主流对流动形式起着主导作用。利用拟合曲线，可初步判断封严间隙处的流动形式或估算实现封严所需要的最小封严冷气流量。