葉片安裝角偏差對(duì)渦輪通道內(nèi)熱斑遷移作用分析

華國(guó)忠

北京中安質(zhì)環(huán)技術(shù)評(píng)價(jià)中心有限公司無(wú)錫分公司, 江蘇 無(wú)錫 214174

1 數(shù)值模擬法

為研究和分析葉片安裝角偏差對(duì)渦輪通道內(nèi)熱斑遷移所產(chǎn)生的影響，文章選用了數(shù)值模擬法來(lái)進(jìn)行該項(xiàng)作業(yè)。在數(shù)值計(jì)算中，所用軟件為Numeca，并借助于三維非定常方程組來(lái)進(jìn)行求解。其中在空間離散上采用了中心差分格式，在時(shí)間離散上采用的是四階Runge-Kutta法來(lái)進(jìn)行迭代求解。此外，在非定常計(jì)算過(guò)程中，采用的方式為雙重時(shí)間步法。

在本次研究中,所研究的對(duì)象其葉片數(shù)目分別為10、20以及40，在計(jì)算過(guò)程中，通道的數(shù)目比例為1：2：4。因渦輪葉片一般成組安裝與加工，對(duì)此，在這種形勢(shì)下，就會(huì)成組地出現(xiàn)安裝角偏差。鑒于此，在研究和分析過(guò)程中,把四個(gè)動(dòng)葉中間兩個(gè)葉片所產(chǎn)生的安裝角降低了2°，以此來(lái)進(jìn)行安裝角偏差的模擬，在此將原型定義為算例1,而動(dòng)葉安裝角所存偏差情況定義為算例2。在計(jì)算過(guò)程中，靜葉與動(dòng)葉為H-O型網(wǎng)格，而支板則呈H型網(wǎng)格，且第一層網(wǎng)格y+低于10。

除了滿足上述需求以外，在研究和分析過(guò)程中，還需明確邊界條件。在本次研究中，總壓呈均勻分布，而總溫為非均勻分布，其熱斑呈圓型，其圓心處于展向50%的葉高位置，且正對(duì)著靜葉的前緣，同時(shí)熱斑的直徑是靜葉進(jìn)口展高的二分之一，熱斑中心的總溫和周圍總溫之間的比例是1.5：1，且其總壓比是1:1。在固定位置給定了相應(yīng)的無(wú)滑移邊界與絕熱條件；在轉(zhuǎn)子/靜子的交界面上也給定了相應(yīng)的邊界條件，即“Domain Scaling”；除此之外，在葉片通道兩側(cè)邊界位置也給定了相應(yīng)的周期性邊界條件。

2 葉片安裝角偏差對(duì)渦輪通道內(nèi)熱斑遷移作用的分析

從研究的情況來(lái)看，盡管靜葉壓力面中熱流體逐漸向葉尖端區(qū)域與葉根擴(kuò)散，但其吸力面中熱流體沿著徑向基本上未擴(kuò)散。因靜葉中二次流相對(duì)較弱，因此在葉高的方向，熱斑所產(chǎn)生的擴(kuò)散并不是特別明顯。從計(jì)算與研究的結(jié)果來(lái)看，相對(duì)于算例1而言，在算例2中，動(dòng)葉安裝角偏差對(duì)于靜葉通道內(nèi)流動(dòng)所產(chǎn)生的影響并不是很明顯，同時(shí)在其通道內(nèi)熱斑遷移基本上也未受較大影響。

從算例2的研究情況來(lái)看，動(dòng)葉通道中通道渦二次流較強(qiáng)，在其不斷向下游發(fā)展的過(guò)程中，基于二次流的不斷作用，動(dòng)葉吸力面的某一側(cè)熱氣流逐漸向大約40%葉高處聚焦，而在壓力面一側(cè)，其熱氣流則逐漸擴(kuò)散至葉尖方向，并覆蓋了大部分的壓力面。就兩種算例而言，算例2中葉片吸力面的前半段，其熱負(fù)荷明顯比算例1大，特別是動(dòng)葉，其后半段葉尖與葉根所處低溫區(qū)域逐步變大，且其熱負(fù)荷逐漸變小，使得葉片整個(gè)吸力面溫度呈現(xiàn)出一種不均勻增大狀態(tài)。在算例2中，造成動(dòng)葉壓力面的熱負(fù)荷不斷減少的主要原因就在于動(dòng)葉2與動(dòng)葉3安裝角相對(duì)原型而言，要小很多，使得動(dòng)葉進(jìn)口熱流體對(duì)于動(dòng)葉2與動(dòng)葉3的攻角不斷減小，使更多熱流體向吸力面聚焦，最終造成吸力面的熱負(fù)荷不斷增大，而壓力面的熱負(fù)荷卻不斷地減小。

為將二次流不斷作用下動(dòng)葉通道內(nèi)遷移軌跡清晰地展現(xiàn)出來(lái)，分別在不同軸向弦長(zhǎng)下，對(duì)動(dòng)葉總溫實(shí)施了分析和研究。從其研究的結(jié)果來(lái)看，在25%軸向弦長(zhǎng)下，轉(zhuǎn)子通道內(nèi)通道強(qiáng)渦強(qiáng)度相對(duì)較大，且在通道的上半部分中二次流不斷驅(qū)動(dòng)下，動(dòng)葉壓力面中一側(cè)熱流體逐步移動(dòng)至葉尖位置；而在通道的下半部分二次流不斷驅(qū)動(dòng)下，其熱流體逐漸聚焦至吸力面的輪轂角區(qū)。在熱斑不斷向下游進(jìn)行遷移時(shí)，基于二次流的不斷作用，動(dòng)葉吸力面一側(cè)熱流體就會(huì)逐漸移動(dòng)至壓力面，而吸力面輪轂角區(qū)中的熱流體則會(huì)沿著吸立面移動(dòng)至葉中，并和吸力面一側(cè)熱流體匯合在一起。

從研究的結(jié)果來(lái)看，動(dòng)葉安裝角偏差對(duì)于靜葉通道中溫度分布并未產(chǎn)生較大影響，但是對(duì)于動(dòng)葉通道中溫度分布卻產(chǎn)生了較為明顯的影響，同時(shí)動(dòng)葉出口的溫度分布相對(duì)于原型而言，也發(fā)生了較為明顯的變化，而這種變化也使得高溫區(qū)周向位置與大小也發(fā)生了一定的變化，繼而造成支板通道中溫度分布也發(fā)生了相應(yīng)的變化。當(dāng)熱斑在通過(guò)支板通道、靜葉通道以及動(dòng)葉通道中傳播以后，其截面的溫度分布也變得較為復(fù)雜，因高溫區(qū)和低溫區(qū)呈一種交替分布方式，再加上在熱斑傳播中受到相應(yīng)的二次流作用，使得高溫區(qū)逐漸從葉中擴(kuò)散至葉尖與葉根，盡管高溫區(qū)性狀并未發(fā)生較大的變化，但是其溫度大小以及位置卻發(fā)生了較大的差距。因在算例中，其中間兩個(gè)動(dòng)葉安裝角逐漸變小，使得動(dòng)葉出口的氣流角也不斷減小，在葉片安裝偏差的情況下，高溫區(qū)周向位置也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，其相對(duì)于原型而言，逐漸偏移至支板的吸力面。

評(píng)判發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要的指標(biāo)就是渦輪的排氣溫度，同時(shí)該指標(biāo)也是測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)所需的一個(gè)重要參數(shù)。通過(guò)上述內(nèi)容的分析可知，相對(duì)于原型而言，動(dòng)葉安裝角偏差會(huì)造成熱斑在支板通道內(nèi)出現(xiàn)周向偏移，在這種偏移逐漸被傳播至下游渦輪的出口截面時(shí)，必然會(huì)使出口排氣溫度出現(xiàn)變化。對(duì)此，在實(shí)際進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試時(shí)，綜合考慮在同一實(shí)驗(yàn)條件下，應(yīng)對(duì)兩個(gè)批次相同的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)量，因兩個(gè)批次發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)葉在安裝與制造上可能會(huì)存在著一定的偏差，而這種偏差造成排氣溫度測(cè)量所出現(xiàn)的偏差也相對(duì)較為可觀；或在同一工況下對(duì)同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)量，在拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)以后再次實(shí)施測(cè)量，其發(fā)動(dòng)機(jī)安裝角也可能會(huì)存在著一定的偏差，而這種偏差造成排氣溫度所出現(xiàn)的測(cè)量偏差也是非?？捎^的。鑒于此，在借助于排氣溫度診斷發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)注意兩個(gè)方面的內(nèi)容，即氣動(dòng)性能與熱斑遷移作用所產(chǎn)生的變化均會(huì)造成排氣溫度發(fā)生較為顯著的變化。

結(jié)束語(yǔ)

文章就數(shù)值模擬法的應(yīng)用，對(duì)葉片安裝角偏差對(duì)渦輪通道內(nèi)熱斑遷移作用的影響進(jìn)行了研究和分析，得出了以下三個(gè)方面的結(jié)論：第一，熱斑遷移和渦輪通道內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)之間存在著較為緊密的關(guān)系，尤其是和二次流之間的關(guān)系尤為緊密；第二，葉片安裝偏差不僅會(huì)使熱斑遷移規(guī)律出現(xiàn)較為顯著的變化，同時(shí)在此基礎(chǔ)上還會(huì)使渦輪葉片的表面溫度負(fù)荷分布產(chǎn)生相應(yīng)的變化，而這種變化對(duì)于葉片可靠性以及其使用壽命也會(huì)造成一定的影響；第三，在診斷發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，必須要注意熱斑遷移的規(guī)律與氣動(dòng)性能，避免其測(cè)量出現(xiàn)較大誤差。

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