微型涡轮动静盘腔间隙流动机理研究
摘要
在微型氦-氙工质径流涡轮运行中，叶轮动静盘腔内存在间隙，为保证轮轴通道内连
接轴在高温、高压以及高负荷下可以正常工作，通过在动静盘腔内通入气体来对其进行
保护。然而当间隙流垂直射入涡轮主流流场后，会造成主流流场损失，尤其在主流近壁
面处，由于受到间隙流影响，其边界层变化会影响到叶轮内部流动。本文在考虑涡轮传
热特性的计算范围内揭示了涡轮动静盘腔间隙的流动机理与主流入侵特性，总结间隙流
流动的流动规律，并基于多载荷耦合作用下盘腔形变提出间隙形变预估方法。
首先，本文将涡轮间隙流进口模型进行简化处理，通过对简化后的流通管模型计算，
探究了涡轮进口掺混区域在不同压力梯度、流场雷诺数及进口吹风比情况下的流动特性，
通过分析其差异来判定其对涡轮性能产生的影响。结果表明变吹风比对于间隙流影响最
为明显，当吹风比处于0.025到0.1之间时，间隙流对主流的作用较小，间隙流通道内
封严特性良好。
其次，本文从真实多物理场环境着手，对整周涡轮模型进行数值建模，同时建立了
高精度流-热-固耦合计算模型，使得流场内气动参数能够与固体域相结合。主要探究了
传热特性下间隙流对于主流的影响及其流动机理，选取最优计算结果对涡轮间隙的计算
提供了简化方法。
最后，通过数值计算方法对涡轮动静盘腔通道及主流流动区域进行分析，进一步探
索间隙流与主流间的流动关系，总结吹风比对主流流态以及涡轮性能的影响。并且提出
一种多物理场下叶轮间隙形变预测方法，通过对叶轮简化计算其边界变形，并采用数值
模拟计算结果对该预估模型精度进行验证。结果表明：当吹风比选取0.08左右时，对于
间隙的封严特性较好且对涡轮性能影响较小。叶轮形变预估模型与仿真结果可得预估程
序相对误差在一定范围内，并且最大误差在10%以下，可以应用于多物理场下间隙形变
预估。
关键词：氦-氙涡轮；动静盘腔；间隙流损失；流-热-固耦合；形变预估
微型涡轮动静盘腔间隙流动机理研究
Abstract
Inordertoensuretheconnectingshaftintheshaftpassagecanworknormallyunderhigh
temperature,highpressureandhighload,andtoprotectthegappassagefromtheinfluenceof
themainstreaminvasion,usuallythroughtherotor-statorcavityintothegas.However,when
theclearanceflowisinjectedverticallyintothemainflowfieldoftheturbine,itwillcausethe
lossofthemainflowfield,especiallynearthewallofthemainflow,thesecondaryflow
structureformedbyboundarylayerseparationwillaffecttheturbineflow.Inthispaper,the
flowmechanismandthemainflowintrusioncharacteristicsoftheclearanceflowintherotor-
statorcavityofaturbinearerevealedwithinthecalculationrangeofconsideringtheheat
transfercharacteristicsoftheturbine,andtheflowlawoftheclearanceflowissummarized,
basedonthedeformationofdiskcavityundermulti-loadcoupling,