不同葉頂結(jié)構(gòu)的間隙流場(chǎng)及對(duì)渦輪性能的影響

賈小權(quán)，黃東煜，趙雄飛

（中國(guó)人民解放軍海軍駐哈爾濱703所軍事代表室，哈爾濱150001）

0 引言

葉頂泄漏流動(dòng)是渦輪動(dòng)葉實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不可避免的，帶來(lái)了一系列影響。對(duì)于渦輪級(jí)來(lái)說(shuō)，葉頂泄漏會(huì)阻塞主流道，惡化葉頂換熱情況，減小葉尖附近葉片載荷，帶來(lái)間隙泄漏損失，而且葉尖泄漏流在與主流摻混也會(huì)使下游靜葉產(chǎn)生攻角損失[1-2]。渦輪的流動(dòng)損失中約有1/3是由葉頂間隙泄漏流動(dòng)引起的[3]。因此，對(duì)葉頂泄漏機(jī)理進(jìn)行研究進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分必要的。

對(duì)于渦輪泄漏流的研究從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，Rains[4]于1954年對(duì)靜葉根部和動(dòng)葉頂部的間隙泄漏流動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，建立了間隙泄漏損失模型；很多學(xué)者在80年代對(duì)渦輪間隙泄漏進(jìn)行進(jìn)一步研究[5-6]，在渦輪平面葉柵上進(jìn)行試驗(yàn)；90年代后，計(jì)算流體軟件技術(shù)的發(fā)展使得泄漏研究進(jìn)入了新時(shí)期[7-9]，更多通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的對(duì)比研究進(jìn)一步深入了解了泄漏機(jī)理[10-11]。但是對(duì)流動(dòng)的詳細(xì)闡述還是很缺乏。

為了減小渦輪葉頂間隙泄漏損失，一般設(shè)計(jì)為動(dòng)葉帶冠，并在冠上安裝多道密封齒，以阻止氣流跨葉頂?shù)臋M向二次流動(dòng)。然而，密封腔內(nèi)的流動(dòng)非常復(fù)雜，并且渦輪帶冠引入了冠進(jìn)出口槽結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)均對(duì)主流產(chǎn)生重要影響。Denton[12]首先建立了帶冠渦輪葉尖間隙泄漏流動(dòng)的損失模型和經(jīng)驗(yàn)公式，認(rèn)為主要損失發(fā)生在泄漏流重新進(jìn)入主流時(shí)與主流的摻混過(guò)程中。

本文以GE-E3高壓級(jí)動(dòng)葉為對(duì)象，研究不帶冠渦輪及帶冠渦輪葉頂泄漏流動(dòng)流場(chǎng)狀況及損失分布，通過(guò)分析流線(xiàn)、靜壓以及出口熵值，考慮不同間隙的影響，從而對(duì)泄漏流動(dòng)及其本質(zhì)進(jìn)行機(jī)理性研究。

1 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用GE-E3高壓渦輪第1級(jí)動(dòng)葉型線(xiàn)，其軸向弦長(zhǎng)為28.7mm，展弦比為1.39。詳細(xì)的幾何與氣動(dòng)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

數(shù)值模擬網(wǎng)格采用Numeca-Autogrid5六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYSCFX 13.0求解定?？蓧嚎s雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程組，借助有限體積法離散控制方程以及標(biāo)準(zhǔn)k-w 方程湍流模型封閉方程組，總體求解精度為2階。離散格式為計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX的“高精度”格式，忽略壁面?zhèn)鳠嵊绊?。?jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為殘差小于10-5數(shù)量級(jí)。MahleI等[14]分別通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)進(jìn)行了帶冠渦輪的泄漏流動(dòng)研究，數(shù)值模擬采用k-ε 湍流模型，二者結(jié)果相似。因此本文采用k-ε 湍流模型是合理的。

數(shù)值模擬只考慮1個(gè)動(dòng)葉通道，進(jìn)、出口段均為1倍軸向弦長(zhǎng)。動(dòng)葉流道采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，為改善網(wǎng)格質(zhì)量，動(dòng)葉表面及葉頂間隙區(qū)域均采用O型網(wǎng)格，進(jìn)、出口及主流區(qū)采用H型網(wǎng)格。軸向、周向、縱向的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別是113、37、85。間隙區(qū)域網(wǎng)格如圖1所示。在間隙高度方向上布置21個(gè)節(jié)點(diǎn)，邊界層網(wǎng)格均使用加密網(wǎng)格，Y+值在+5左右，整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格總數(shù)是110萬(wàn)左右，計(jì)算域的3維計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。計(jì)算邊界條件均在絕對(duì)坐標(biāo)系下給定：進(jìn)口給定總溫、總壓和進(jìn)口氣流角，出口給定靜壓，葉柵轉(zhuǎn)速為8450r/min，壁面均給定無(wú)滑移邊界條件，進(jìn)口湍流強(qiáng)度為5%，具體邊界條件見(jiàn)表1。

圖1 不帶冠渦輪3維計(jì)算網(wǎng)格

圖2 帶冠渦輪3維計(jì)算網(wǎng)格

2 計(jì)算結(jié)果及分析

所采用的不帶冠葉片邊界條件和幾何模型與Ameri等[15]的計(jì)算相同，Ameri等利用CFX軟件預(yù)測(cè)了葉頂開(kāi)凹槽時(shí)動(dòng)葉頂部的泄漏流動(dòng)和換熱情況，并與試驗(yàn)結(jié)果作了對(duì)比，二者有較好的一致性，表明該數(shù)值方法能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)動(dòng)葉頂部的泄漏流動(dòng)情況。

表1 邊界條件

2.1 不帶冠渦輪泄漏流場(chǎng)分析

在不同間隙下不帶冠渦輪葉頂流動(dòng)情況如圖3所示。從圖3（a）中可見(jiàn)，在小間隙尺度范圍內(nèi)，由于間隙泄漏渦比較弱，以至于在前緣附近的近機(jī)匣二次流從吸力側(cè)進(jìn)入間隙內(nèi)，從而堵塞了泄漏流動(dòng)，隨后從吸力面流出最后匯入通道渦，增強(qiáng)了通道渦的大小和強(qiáng)度。當(dāng)間隙增大后，間隙渦形成很早，阻礙了下面通道渦的形成。近機(jī)匣二次流和泄漏流的相互作用削弱了通達(dá)渦的強(qiáng)度，同時(shí)泄漏渦本身強(qiáng)度也略微減弱，在尺寸上由于卷吸了大量低動(dòng)量流體而變大。

圖3 不同間隙下葉頂流線(xiàn)分布

在轉(zhuǎn)子葉片尾緣附近，通道內(nèi)流體已經(jīng)得到了充分發(fā)展。在不同間隙下90%軸向弦長(zhǎng)位置熵分布如圖4所示。從圖中可見(jiàn)，在小間隙尺度下，靠近機(jī)匣部分的高損失區(qū)域是由于間隙泄漏渦與通道渦的相互作用所造成的。間隙通道渦卷吸來(lái)自強(qiáng)度比較弱的泄漏渦附近低動(dòng)量流體，使得通道渦增大，造成更多的摻混損失。隨著間隙高度的增加，間隙通道渦和通道泄漏造成的尺寸快速增大。在大間隙尺度下，泄漏渦與通道渦相互作用，不斷卷吸低能流體使得通道渦的強(qiáng)度被削弱?？梢?jiàn)在間隙達(dá)到一定大小后，間隙泄漏的尺寸不斷增大，其所造成的高損失區(qū)域也在不斷增大，同時(shí)渦核也在不斷地向著遠(yuǎn)離吸力面的趨勢(shì)發(fā)展，此時(shí)通道渦已經(jīng)消失。

葉片頂部靜壓系數(shù)分布如圖5所示。從圖中可見(jiàn)，在葉片前緣位置存在高壓區(qū)，在靠近葉片尾緣處存在低壓區(qū)，靜壓降低的區(qū)域正是速度增大的區(qū)域，在40%到80%軸向弦長(zhǎng)位置，壓力面的靜壓急速降低，說(shuō)明這是泄漏主要發(fā)生的地方，而這種橫向的壓差導(dǎo)致泄漏流通過(guò)葉頂。

圖5 葉頂靜壓系數(shù)分布

2.2 帶冠渦輪泄漏流場(chǎng)分析

不同位置的帶冠渦輪近葉頂流場(chǎng)分別如圖6~8所示，從圖中可見(jiàn)，泄漏流從冠槽入口進(jìn)入葉冠，在葉冠內(nèi)發(fā)生了很劇烈的漩渦運(yùn)動(dòng)，極大地阻止了泄漏流進(jìn)一步進(jìn)入葉冠，起到了很好的封嚴(yán)效果。

圖6 帶冠渦輪近葉頂流場(chǎng)

圖7 冠槽出口流場(chǎng)

圖8 冠槽進(jìn)口流場(chǎng)

冠內(nèi)流體沿流向靜壓系數(shù)分布如圖9所示。從圖中可見(jiàn)，在冠槽進(jìn)、出口存在很大壓差，驅(qū)動(dòng)著泄漏流沿流向流動(dòng)。帶冠渦輪出口截面熵值分布如圖10所示。從圖中可見(jiàn)，在90%到100%葉高處存在很大的熵增，說(shuō)明這里發(fā)生了很大損失，是泄漏流重新匯入主流跟主流流體產(chǎn)生的摻混損失。

2.3 不帶冠和帶冠渦輪總體性能比較

不帶冠和帶冠渦輪出口截面沿葉高方向總壓系數(shù)分布如圖11所示。從圖中可見(jiàn)，帶冠和不帶冠渦輪沿葉高方向總壓分布發(fā)生了很大改變，在40%葉高以下二者相差不大，而在40%葉高以上到100%葉高，可見(jiàn)總體上帶冠渦輪出口截面總壓分布數(shù)值較大，只是在近機(jī)匣位置有部分總壓變小，因?yàn)樵诖税l(fā)生了泄漏流和主流的摻混，造成了很大的摻混損失，與圖10中的結(jié)論一致。而不帶冠渦輪在85%葉高處得到最低總壓值，說(shuō)明此處是不帶冠渦輪泄漏渦渦核位置，不同的最低總壓值位置分別代表著下通道渦、上通道渦和泄漏渦渦核位置。總壓分布的不一致反映在總體性能上。

圖9 冠內(nèi)沿流向靜壓系數(shù)分布

圖10 帶冠渦輪出口截面熵增分布

圖11 出口截面沿葉高方向總壓系數(shù)分布

圖12 出口截面沿葉高方向出口相對(duì)氣流角分布

圖13 出口截面沿葉高方向出口相對(duì)速度分布

不帶冠和帶冠渦輪出口截面沿葉高方向相對(duì)氣流角和相對(duì)速度分布分別如圖12、13所示。從圖中可見(jiàn)，對(duì)于出口氣流角來(lái)說(shuō)，與總壓系數(shù)分布結(jié)論相似，在40%葉高以上不帶冠和帶冠渦輪才有明顯區(qū)別，葉片加冠改善了動(dòng)葉出口機(jī)匣處的氣流偏轉(zhuǎn)不足現(xiàn)象，由于葉冠中篦齒的存在，氣流在葉冠中的周向速度大幅降低使得氣流角絕對(duì)值減小，而氣流角偏轉(zhuǎn)變大，都極大地改善了渦輪的氣動(dòng)性能。同時(shí)，比較2種模型出口相對(duì)氣流速度，不帶冠渦輪的相對(duì)速度最低位置在90%葉高處，此處正是間隙泄漏渦渦核位置，在60%葉高處也出現(xiàn)了1個(gè)極點(diǎn)，此處為間隙通道渦渦核位置；而帶冠渦輪在90%處氣流出口相對(duì)速度才大幅下降，這是冠內(nèi)氣流與主流氣流摻混所致，此時(shí)產(chǎn)生了很大的氣動(dòng)損失?？梢缘玫浇Y(jié)論，不帶冠和帶冠渦輪在泄漏損失作用區(qū)域和方式都不一致。

不帶冠和帶冠渦輪總體性能見(jiàn)表2。帶冠渦輪的泄漏量比不帶冠渦輪的少2.01%，且效率提高1.56%。說(shuō)明帶冠渦輪比不帶冠渦輪有更高的氣動(dòng)性能，且泄流量跟效率存在反比關(guān)系。同時(shí)可知，泄漏流動(dòng)對(duì)渦輪的效率有重大影響。

表2 不帶冠和帶冠渦輪總體性能

3 結(jié)論

（1）不帶冠渦輪在不同間隙下，葉頂泄漏流動(dòng)是不一樣的，在小間隙下泄漏渦還未形成，而當(dāng)間隙逐漸增大，泄漏渦越來(lái)越大，擠壓著通道渦。

（2）不帶冠渦輪的泄漏流動(dòng)由橫向壓差驅(qū)動(dòng)，而帶冠渦輪的泄漏流動(dòng)由上下游壓差驅(qū)動(dòng)。帶冠渦輪的泄漏流與主流摻混損失是泄漏損失的主要部分。

（3）帶冠渦輪比不帶冠渦輪有著更好的氣動(dòng)性能，且泄漏量與效率呈反比關(guān)系，說(shuō)明泄漏流動(dòng)對(duì)渦輪的總體性能有重大影響。

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