在微小型燃气轮机中,由于转静系间隙的存在,在压气机和涡轮之间形成气流盘腔。涡轮动叶进口处的高温高压燃气会侵入到盘腔内部,使得盘腔过热并影响燃气轮机工作安全,因此需要从压气机出口向盘腔内引入封严冷气来抑制燃气入侵。盘腔封严流对向心涡轮部件和整机性能影响显著,掌握其内部流动机理及燃气入侵特性对部件设计及整机运行具有重要意义。因此,本文对向心涡轮盘腔内部流动及其与涡轮主流的耦合机制开展深入研究,就其中的封严流与主流耦合机理、旋转诱导燃气入侵及外部诱导燃气入侵进行详细论述,为涡轮盘腔精细化设计提供理论依据。本文主要研究内容及结论如下:(1)开展了涡轮盘腔封严流与主流耦合机理研究。以微小型燃气轮机中的向心涡轮及其真实盘腔结构为研究对象,采用定常数值方法,研究了三种典型轮盘结构的盘腔流场特征、涡轮总体参数及封严流与主流耦合机理。结果表明:扇形与深度扇形向心涡轮相比常规结构效率分别下降1.7%、3.5%,封严流量分别降低12.2%、16.3%,封严流量主要由高速旋转盘的“泵吸效应”决定。叶背间隙泄漏流在进入流道处受同向的离心力及科氏力,表现为向叶顶方向运动;盘腔冷气在进入流道处受到的离心力与科氏力相反,且科氏力占主导地位,表现为贴壁运动;在往下游运动过程中两股流体逐渐演变为主要受离心力影响并向叶顶发展。深度扇形向心涡轮冷气与叶背泄漏流掺混后,在流道中部形成大尺度旋涡,是其气动效率显著下降的根本原因。(2)开展了向心涡轮盘腔旋转诱导燃气入侵研究。以不考虑动静叶片的简化盘腔结构为研究对象,采用定常数值方法,研究了向心涡轮盘腔旋转诱导燃气入侵机理。在验证Orifice Model适用性的基础之上,从模型的物理内涵出发,重新定义了反应燃气入侵强度的参数δ。结果表明:恒转速盘腔封严效率是关于入侵强度δ的单调递减函数,随着δ降低封严效率增大,当δ=2.7时,封严效率可达到80%水平。进口段长度通过影响入侵强度参数值,进而对封严效率产生影响。同时研究发现,Orifice Model中参数取值还应取决于盘腔进口段长度,进口段越长最小封严流量值越小。(3)开展了向心涡轮盘腔外部诱导燃气入侵研究。以带有动静叶片的盘腔结构为研究对象,采用非定常数值方法,研究了向心涡轮盘腔外部诱导燃气入侵机理并探讨了计算域尺寸及封严流量的影响。结果表明:扇区模型是否能够精确模拟盘腔流场及频谱特性取决于盘腔高半径处低压区数目。当盘腔内低压区数目远小于扇区模型数目时,周期性边界条件抑制跨周期域低压区的形成,使得扇区模型计算误差较大。盘腔高半径处在小封严流量时存在着低于动盘转速的低压区,造成压力波动及燃气周期性入侵,使得盘腔出口附近出现气动参数低频脉动;低半径处出现与动盘转速相同的低压区,使得盘腔低半径处出现气动参数的倍频频谱。随封严流量增大,盘腔高半径处低压区数目减少、转速降低,其对应的低频脉动幅值先增大后减小;当封严流量进一步增大时,盘腔高半径处低压区消失,低频脉动消失,燃气入侵现象消失。