動(dòng)葉圍帶對(duì)魚(yú)雷渦輪機(jī)通流性能影響研究

伊進(jìn)寶, 趙衛(wèi)兵, 師海潮

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動(dòng)葉圍帶對(duì)魚(yú)雷渦輪機(jī)通流性能影響研究

伊進(jìn)寶, 趙衛(wèi)兵, 師海潮

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西 西安, 710075)

針對(duì)魚(yú)雷渦輪機(jī)葉片短小, 頂部間隙泄漏損失嚴(yán)重的問(wèn)題, 基于求解雷諾平均的NAVIER-STOKES方程組, 對(duì)有無(wú)圍帶下魚(yú)雷渦輪機(jī)通流不同工況下流場(chǎng)及性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算, 研究了有無(wú)圍帶時(shí)渦輪機(jī)功率、效率、燃?xì)饬髁恳约案鞣N流動(dòng)損失的變化規(guī)律, 分析了葉輪圍帶對(duì)渦輪機(jī)通流流場(chǎng)及性能的影響。研究表明, 在魚(yú)雷渦輪機(jī)葉輪頂部上安裝圍帶有助于消除葉輪流道主流中葉片徑向的泄漏流動(dòng), 減小葉輪內(nèi)部流動(dòng)損失, 提高渦輪機(jī)通流效率和功率, 改善魚(yú)雷渦輪機(jī)通流部分的工作性能。

魚(yú)雷渦輪機(jī); 動(dòng)葉圍帶; 數(shù)值仿真

0 引言

燃?xì)鉁u輪機(jī)具有功率輸出大、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和工作可靠等特點(diǎn), 在進(jìn)一步提高魚(yú)雷航速及維修性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

因其工作特點(diǎn), 魚(yú)雷燃?xì)鉁u輪機(jī)一般采用短葉片設(shè)計(jì), 葉頂間隙可占到葉片高度的10%, 如不采取措施, 葉頂漏氣損失特別嚴(yán)重, 因此一般在葉輪頂部安裝圍帶, 這樣有助于減小葉片徑向間隙燃?xì)庑孤? 改善沖動(dòng)式葉輪的工作性能[1-2]。但對(duì)于在動(dòng)葉頂部安裝圍帶能在多大程度上減小葉輪流動(dòng)損失, 改善渦輪機(jī)通流性能, 尚未開(kāi)展系統(tǒng)研究, 因此, 本文通過(guò)對(duì)比有無(wú)圍帶時(shí)魚(yú)雷渦輪機(jī)通流流場(chǎng)及性能, 研究葉輪圍帶對(duì)葉頂流動(dòng)及損失發(fā)展的影響, 對(duì)于深入理解動(dòng)葉圍帶對(duì)魚(yú)雷渦輪機(jī)通流性能的影響規(guī)律, 優(yōu)化渦輪機(jī)通流設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

本文通過(guò)求解雷諾平均的NAVIER-STOKES方程組, 數(shù)值計(jì)算了有無(wú)圍帶時(shí)渦輪機(jī)通流不同工況下的流場(chǎng)及性能, 研究了有無(wú)圍帶時(shí)渦輪機(jī)功率、效率、燃?xì)饬髁恳约案鞣N流動(dòng)損失的變化規(guī)律, 分析了葉輪圍帶對(duì)渦輪機(jī)通流流場(chǎng)及性能的影響。

1 算例簡(jiǎn)介

算例渦輪機(jī)為部分進(jìn)氣、沖動(dòng)式、軸流式渦輪機(jī), 其通流部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1, 主要包括噴管、葉輪和殼體等[1-2]。

圖1 燃?xì)鉁u輪機(jī)通流部分示意圖

首先, 高溫高壓燃?xì)饨?jīng)過(guò)噴管, 在此過(guò)程中將氣體的可用焓降轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動(dòng)能; 隨后, 高速燃?xì)庖砸欢ń嵌却迪蛉~輪, 使葉輪高速旋轉(zhuǎn), 在此過(guò)程中完成了燃?xì)鈩?dòng)能到葉輪動(dòng)能的轉(zhuǎn)變。

2 計(jì)算方法

2.1 數(shù)值模型

2.2 計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

針對(duì)渦輪機(jī)通流部分進(jìn)行建模, 采用H-O-H多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 噴管壁面、葉片壁面及輪轂壁面網(wǎng)格局部加密以捕捉邊界層, 葉尖間隙、葉輪與噴管環(huán)軸向間隙也適當(dāng)加密。

渦輪機(jī)采用部分進(jìn)氣方式, 造成葉輪進(jìn)口流場(chǎng)不均勻, 無(wú)法采用周期性邊界條件, 需對(duì)渦輪機(jī)進(jìn)行全周數(shù)值仿真。算例網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)約為106。圖2給出安裝圍帶和無(wú)圍帶時(shí)通流計(jì)算網(wǎng)格示意圖。

圖2 渦輪機(jī)通流部分計(jì)算網(wǎng)格

通過(guò)設(shè)置交界面進(jìn)行葉輪計(jì)算域和噴嘴環(huán)計(jì)算域數(shù)值傳遞。為提高計(jì)算精確度, 計(jì)算的流體介質(zhì)按照燃燒室出口燃?xì)獾恼鎸?shí)成分進(jìn)行計(jì)算給出。采用亞音進(jìn)口、亞音出口和絕熱、無(wú)滑移壁面邊界, 進(jìn)口給定燃?xì)饪倝汉腿細(xì)鉁囟? 出口給定燃?xì)忪o壓。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖3(a)~(c)分別給出了I, II速制下有圍帶和無(wú)圍帶時(shí)魚(yú)雷渦輪機(jī)通流內(nèi)效率、功率和流量隨膨脹比的變化趨勢(shì)。

渦輪機(jī)通流內(nèi)效率[3]定義為

渦輪機(jī)無(wú)量綱功率定義為渦輪機(jī)通流實(shí)際發(fā)出功率與設(shè)計(jì)功率之比; 流量系數(shù)定義為經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)的實(shí)際燃?xì)饬髁颗c理論流量之比[1-2]。

由圖3可以明顯看出, 有圍帶和無(wú)圍帶對(duì)渦輪機(jī)通流性能影響很大, 在魚(yú)雷渦輪機(jī)葉輪頂部安裝圍帶可明顯提高渦輪機(jī)通流性能。

由圖3(a)可知, 有無(wú)圍帶對(duì)渦輪機(jī)通流內(nèi)效率影響明顯。在I, II速制同一膨脹比下, 有圍帶渦輪機(jī)效率明顯要比無(wú)圍帶渦輪機(jī)效率高得多; I速制下, 有圍帶渦輪機(jī)效率要比無(wú)圍帶渦輪機(jī)效率高6~11個(gè)百分點(diǎn); II速制下, 有圍帶渦輪機(jī)效率要比無(wú)圍帶渦輪機(jī)效率高12個(gè)百分點(diǎn)。在葉輪頂部安裝圍帶可明顯改善渦輪機(jī)通流性能, 提高渦輪機(jī)通流內(nèi)效率。

圖3 有無(wú)圍帶時(shí)渦輪機(jī)通流性能參數(shù)隨壓比變化趨勢(shì)

由圖3(b)可知, 有無(wú)圍帶對(duì)渦輪機(jī)通流功率影響明顯。I, II速制同一膨脹比下, 有圍帶渦輪機(jī)功率明顯要比無(wú)圍帶渦輪機(jī)功率高得多; I速制下, 有圍帶渦輪機(jī)效率要比無(wú)圍帶渦輪機(jī)效率高7~14個(gè)百分點(diǎn); II速制下, 有圍帶渦輪機(jī)效率要比無(wú)圍帶渦輪機(jī)效率高14個(gè)百分點(diǎn)。在葉輪頂部安裝圍帶可明顯改善渦輪機(jī)通流性能, 提高渦輪機(jī)通流功率。

由圖3(c)可知, 有無(wú)圍帶對(duì)渦輪機(jī)流量系數(shù)基本上沒(méi)有影響, 渦輪機(jī)的流量系數(shù)幾乎不變, 維持在0.95左右, 不受渦輪機(jī)膨脹比影響; 這是由于本文所研究的渦輪機(jī)噴管為縮放式, 在計(jì)算的膨脹比范圍之內(nèi), 噴管環(huán)一直處于超臨界狀態(tài), 渦輪機(jī)流量系數(shù)只與噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān), 與葉輪無(wú)關(guān)。

圖4(a)和(b)分別給出了I、II速制下有圍帶和無(wú)圍帶時(shí)魚(yú)雷渦輪機(jī)葉輪速度系數(shù)和總壓恢復(fù)系數(shù)隨膨脹比的變化趨勢(shì)。

圖4 有無(wú)圍帶時(shí)渦輪機(jī)通流損失特性隨壓比變化趨勢(shì)

由于本文研究的魚(yú)雷渦輪機(jī)葉輪為沖動(dòng)式設(shè)計(jì), 葉輪速度系數(shù)的定義為葉輪出口燃?xì)庀鄬?duì)速度與葉輪入口燃?xì)庀鄬?duì)速度之比, 葉輪總壓恢復(fù)系數(shù)定義為葉輪出口燃?xì)庀鄬?duì)總壓與葉輪入口燃?xì)庀鄬?duì)總壓之比。

速度系數(shù)和總壓恢復(fù)系數(shù)表征了渦輪機(jī)葉輪內(nèi)部的流動(dòng)損失。由圖4可知, 有無(wú)圍帶對(duì)渦輪機(jī)葉輪內(nèi)部流動(dòng)損失影響明顯。I, II速制下, 同一膨脹比下, 有圍帶渦輪機(jī)葉輪速度系數(shù)明顯要比無(wú)圍帶時(shí)高的多; I速制下, 有圍帶渦輪機(jī)葉輪速度系數(shù)要比無(wú)圍帶高6~13個(gè)百分點(diǎn), 葉輪總壓恢復(fù)系數(shù)要比無(wú)圍帶高3~6個(gè)百分點(diǎn); II速制下, 有圍帶渦輪機(jī)葉輪速度系數(shù)要比無(wú)圍帶高15個(gè)百分點(diǎn), 葉輪總壓恢復(fù)系數(shù)要比無(wú)圍帶高4~6個(gè)百分點(diǎn)。在葉輪頂部安裝圍帶可明顯改善渦輪機(jī)通流性能, 減低葉輪內(nèi)部流動(dòng)損失。

圖5(a)~(c)分別給出了有無(wú)圍帶時(shí)某單一噴管對(duì)應(yīng)葉輪流道內(nèi)部75%、90%軸向弦長(zhǎng)位置以及出口3個(gè)位置垂直于流向截面上燃?xì)庀鄬?duì)總壓恢復(fù)系數(shù)云圖和流線分布示意圖比較。圖中使用_1~_5表示單一噴管所對(duì)應(yīng)的5個(gè)葉片,表示葉片的吸力面,表示葉片的壓力面。

圖5 有無(wú)圍帶時(shí)葉輪內(nèi)部總壓恢復(fù)系數(shù)和流線圖比較

比較可知, 葉片頂端沒(méi)有安裝圍帶時(shí), 葉片頂部與機(jī)匣下壁面之間存在一定間隙, 噴管噴出的高速燃?xì)膺M(jìn)入葉輪, 對(duì)動(dòng)葉進(jìn)行擠壓, 使葉片壓力面靜壓力高于吸力面, 在壓差作用下, 動(dòng)葉徑向間隙形成從壓力面到吸力面的泄漏流[4], 當(dāng)泄漏流從吸力面流出時(shí)與通道主流相互作用在沿著葉片吸力面的角落處形成泄漏渦, 在圖中用1~5標(biāo)識(shí); 泄漏流在吸力面角區(qū)形成高損失渦區(qū), 使動(dòng)葉吸力面附近的流動(dòng)損失有大幅增加, 沿流向發(fā)展, 渦核向壓力面和中葉展處遷移。

葉頂間隙產(chǎn)生的泄漏流和泄漏渦對(duì)渦輪性能有著重要影響: 泄漏流動(dòng)使得動(dòng)葉壓力面靠近葉尖處的載荷減小, 泄漏流和泄漏渦堵塞通道主流, 增加葉輪內(nèi)部流動(dòng)損失。

與無(wú)圍帶時(shí)相比較, 在葉輪上安裝圍帶明顯消除了葉輪流道主流中葉片徑向的泄漏流動(dòng)和泄漏渦, 使得葉片頂部流動(dòng)損失減小, 這樣就有助于減小葉片徑向間隙燃?xì)庑孤? 減小葉輪內(nèi)部流動(dòng)損失, 改善魚(yú)雷渦輪機(jī)通流部分的工作性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于求解雷諾平均的NAVIER-STOKES方程組, 數(shù)值計(jì)算了有無(wú)圍帶時(shí)魚(yú)雷渦輪機(jī)通流部分流場(chǎng)及性能, 研究了葉輪頂部圍帶對(duì)渦輪機(jī)通流性能和流場(chǎng)細(xì)節(jié)的影響。研究表明, 在魚(yú)雷渦輪機(jī)葉輪頂部上安裝圍帶有助于減小葉片徑向間隙燃?xì)庑孤? 消除葉輪流道主流中葉片徑向的泄漏流動(dòng), 減小葉輪內(nèi)部流動(dòng)損失, 提高渦輪機(jī)通流效率和功率, 改善魚(yú)雷渦輪機(jī)通流部分的工作性能。

[1] 趙寅生, 錢志博. 魚(yú)雷渦輪機(jī)原理[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2002.

[2] 查志武, 史小峰, 錢志博. 魚(yú)雷熱動(dòng)力技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2006.

[3] 黃樹(shù)紅. 汽輪機(jī)原理[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2008.

[4] Denton J D. Loss Mechanisms in Turbomachinery[M], ASME, 93-GT-435, 1993.

Effect of Rotor Shroud on Flow Passage Performance of Torpedo Turbine

YI Jin-bao, ZHAO Wei-bing, SHI Hai-chao

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Aiming at the heavy flow leakage loss from rotor tip because of short blade in a torpedo turbine, a three- dimensional, viscous and steady computational fluid dynamics (CFD) analysis is performed for studying the turbine flow field and performance of rotors with or without rotor shroud under different designing condition by solving Rans-Navier-Stokes equations. The changing trends of turbine′s power, efficiency, gas flow rate, and various flow losses with or without rotor shroud are achieved, and the effect of rotor shroud on the flow field and the performance of turbine are analyzed. Results show that the rotor shroud can clearly enhance the power, efficiency and performance of turbine by eliminating the leakage flow and vortex at rotor tip, and by reducing the inner flow loss of torpedo turbine.

torpedo turbine; rotor shroud; numerical simulation

TJ630.32

A

1673-1948(2012)01-0056-04

2011-03-06;

2011-07-12.

伊進(jìn)寶(1981-), 男, 博士后, 研究方向?yàn)轸~(yú)雷熱動(dòng)力技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)