汽輪機扭葉片葉頂間隙泄漏流動的數(shù)值分析

楊 靜

(長春工程學(xué)院)

汽輪機扭葉片葉頂間隙泄漏流動的數(shù)值分析

楊 靜*

(長春工程學(xué)院)

針對某汽輪機中壓級扭葉片進(jìn)行數(shù)值研究，分析了不同葉頂間隙下扭葉片頂部的泄漏流動，并著重研究了扭葉片間隙渦的形成、發(fā)展和對汽輪機級性能的影響。研究結(jié)果表明：葉片的適當(dāng)扭轉(zhuǎn)，可使徑向壓力梯度變緩、根部的反動度增加、頂部的反動度減少，在一定程度上控制了泄漏流動的發(fā)展。扭葉片葉頂處的泄漏渦在葉柵通道中是以螺旋狀向下游發(fā)展的，渦核的位置隨流動逐漸遠(yuǎn)離吸力面。當(dāng)葉頂間隙增大時，泄漏渦強度變大，并且與上通道渦的摻混作用增強，從而導(dǎo)致了更大的流動損失。

汽輪機 扭葉片 葉頂間隙 泄漏流 通道渦

為了提高汽輪機通流部分的流動效率，汽輪機的葉片大部分都采用了扭葉片，以適應(yīng)氣動參數(shù)沿葉高變化的情況，有效減小沖角并滿足汽輪機級的性能要求。但由于葉頂間隙的存在，葉頂?shù)男孤┝黧w依然會與通道主流流體摻混，干擾葉柵通道內(nèi)的正常穩(wěn)定流動，造成主蒸汽做功能力降低，影響汽輪機的運行效率。因此有必要了解葉頂泄漏流在扭葉片葉柵通道內(nèi)的流動狀態(tài)，從而更好地控制頂部的泄漏流動、降低泄漏損失和摻混損失。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞葉頂間隙泄漏及其對葉柵流道內(nèi)的影響進(jìn)行了一系列理論和試驗研究[1～7]，基本揭示了泄漏流動產(chǎn)生的機理和泄漏渦的發(fā)展規(guī)律。在扭葉片的研究方面，隋永楓等采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對汽輪機低壓級扭葉片進(jìn)行三維優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后有效改善了次末級葉根處的流動分離，降低了流道損失[8]。曹麗華等分析了葉頂間隙泄漏流動對葉頂靜壓、湍動能和葉片表面壓力系數(shù)等參數(shù)的影響[9]。胡鵬飛等分析幾種不同葉頂間隙下葉頂泄漏流動的規(guī)律[10]。Filippo Rubechini等通過數(shù)值模擬的方法尋求中壓缸通流部分整體優(yōu)化策略，提出一種能夠兼顧級間相互影響的斜置靜葉與扭轉(zhuǎn)動葉相結(jié)合的優(yōu)化方案，對提高汽輪機級效率有一定的借鑒意義[11]。綦蕾等利用三維粘性非定常數(shù)值模擬的方法分析汽輪機末級常規(guī)扭葉片內(nèi)部由動靜干涉導(dǎo)致非定常流動的規(guī)律[12]。宋立明等指出通過優(yōu)化葉柵型線來改變?nèi)~柵的載荷分布可有效提高葉柵的氣動性能[13]。高學(xué)林和袁新研究了動、靜葉片經(jīng)過彎扭傾掠等變形后流場的性能變化，指出扭葉片經(jīng)過合理的優(yōu)化設(shè)計后能夠使總壓損系數(shù)減少0.95%[14]。柴山等研究了汽輪機扭葉片葉頂間隙引起的汽流激振問題[15]。朱曉峰和袁新通過設(shè)計葉型的局部扭轉(zhuǎn)控制葉柵喉部的通流面積來提高汽輪機的級效率[16]。但上述分析中均未考慮葉頂間隙泄漏流動的影響。Cecco S D等專門研究了扭葉片葉頂損傷造成的間隙變化對泄漏損失和葉柵氣動性能的影響[17]。曹麗華等研究了扭葉片正彎對葉柵通道渦和葉頂間隙泄漏流動的影響[18]。李平等則分析了具有阻尼拉金和葉頂間隙的汽輪機末級流動狀況，認(rèn)為考慮了葉頂間隙泄漏流動和拉金擾流特性后，汽輪機末級效率下降了1.23%，強調(diào)了葉頂泄漏損失的重要性[19]。但上述研究卻沒有給出扭葉片葉頂間隙泄漏流與通道二次渦的相互作用細(xì)節(jié)和泄漏渦的生成與發(fā)展過程。

筆者采用數(shù)值模擬方法，分析葉片扭轉(zhuǎn)后葉柵通道流場內(nèi)渦系的變化情況，通過對三維流線、靜壓力系數(shù)及通道內(nèi)的總壓損失系數(shù)等的分析，研究不同葉頂間隙τ下扭葉片頂部泄漏流動的發(fā)展變化及其對葉柵通道流場的影響規(guī)律。

1 物理模型和網(wǎng)格劃分

筆者選取某300MW汽輪機中壓級的常規(guī)扭葉片，建立物理模型。該級動葉的基本幾何參數(shù)如下：

葉柵節(jié)距 46.39mm

前緣半徑 2.135mm

葉型扭轉(zhuǎn)角 4.6°

展弦比 2.02

葉片數(shù) 80

葉片高度 112.6mm

葉片弦長 55.04mm

軸向弦長 49.50mm

中徑安裝角 48.69°

轉(zhuǎn)速 3 000r/min

在整個計算域的兩個周向邊界面上使用周期性邊界條件，以節(jié)約計算資源、縮短計算時間。計算域的網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，對葉頂間隙內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。為了確定網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果的影響程度，進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證。分別選用了約70萬、90萬、110萬、130萬、160萬網(wǎng)格進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)在110萬到160萬網(wǎng)格下計算結(jié)果基本不變，因此可以認(rèn)為超過110萬的網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果已不再敏感?？紤]到計算精度和計算量，筆者采用了靜葉流域網(wǎng)格數(shù)約27萬，動葉流域網(wǎng)格數(shù)約45萬，間隙流域網(wǎng)格數(shù)約48萬，總網(wǎng)格數(shù)約120萬進(jìn)行計算。葉柵通道的幾何模型和網(wǎng)格劃分如圖1所示。

a． 葉柵通道幾何模型

b． 網(wǎng)格劃分

2 計算方法及邊界條件

數(shù)值模擬選用各向異性的κ-ωSST(剪切應(yīng)力傳輸)湍流模型，該模型在近壁處適應(yīng)能力較好，可有效地捕捉泄漏渦和上通道渦的摻混情況。離散方法采用有限容積法，離散格式選擇二階迎風(fēng)格式。并應(yīng)用SIMPLEC算法求解。計算工質(zhì)選用過熱態(tài)蒸汽，入口邊界條件為壓力入口，壓力設(shè)為2.47MPa；出口邊界條件為壓力出口，壓力設(shè)為2.12MPa。采用無滑移絕熱壁面條件進(jìn)行模擬，數(shù)值計算平均600步達(dá)到收斂要求。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1葉柵通道三維流線分析

圖2是相同葉頂間隙(τ=1.0mm)下扭葉片葉柵流場與等截面直葉片葉柵流場的三維流線對比圖。從圖中可以看出，端壁附面層內(nèi)的低能流體由于受到相鄰動葉間壓力梯度的影響，在葉柵的上、下端部形成橫向的二次流動，橫向二次流與葉柵通道的主流相互作用從而形成了通道渦。從葉頂間隙泄漏出的流體受到了葉柵上通道渦的作用，在通道內(nèi)發(fā)生翻轉(zhuǎn)變形，形成與它旋向相反的葉頂泄漏渦，這些渦系都是級內(nèi)損失的重要來源。在圖2a中，由于模型設(shè)置了周期性邊界，還可以觀察到相鄰葉片通道中的通道渦和泄漏渦向級后傳遞的現(xiàn)象。圖2b中所顯示的葉頂泄漏渦和通道渦的影響范圍都較圖2a有所減小，并貼著葉片的背弧向下游發(fā)展。這是由于動葉經(jīng)適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)后，葉片的靜壓沿徑向的分布獲得改善，壓力梯度變緩，根部的反動度增加，頂部的反動度減少，在一定程度上控制了泄漏流動的發(fā)展，改善了通道內(nèi)的流動狀態(tài)。

a． 直葉片

3.2葉頂間隙區(qū)域軸向截面的流動特性

圖3是葉頂間隙不同時扭葉片不同軸向截面的流線和葉頂表面壓力分布。在圖3a～c中，葉頂壓力面的邊緣處都出現(xiàn)了低壓區(qū)，這部分低壓區(qū)域是蒸汽在流進(jìn)葉頂間隙時，由于慣性力的作用發(fā)生了回流導(dǎo)致的。此外，觀察圖中的流線，可以看到扭葉片葉頂泄漏渦的發(fā)展規(guī)律：葉柵通道內(nèi)的泄漏渦都是以螺旋狀向下游運動的。并且，泄漏渦渦核的位置隨流動逐漸遠(yuǎn)離吸力面，向葉柵通道內(nèi)發(fā)展。泄漏渦在葉片徑向的影響區(qū)域先是逐漸增大的，運動到了通道尾部100%軸向截面(圖中100%Cx)附近時，開始有減小的趨勢，這說明葉片的適當(dāng)扭轉(zhuǎn)可降低頂部泄漏，使泄漏渦對下游的影響得到了相應(yīng)的削弱。在葉柵的尾緣，由于壓力面與吸力面之間的橫向壓力梯度開始減小，所以端壁處汽流所受到的湍流粘性剪切應(yīng)力相對增大，葉頂?shù)钠鞒霈F(xiàn)了反向流動的現(xiàn)象。但這種反向流動在汽輪機動葉柵尾部是很微弱的，對泄漏渦的流動規(guī)律是沒有影響的。

b． τ=1.5mm

c． τ=2.0mm

此外，對比圖3中的各圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著葉頂間隙的增大，泄漏渦對葉柵通道的擾動逐漸增強，無論是在徑向還是周向，葉柵通道內(nèi)的影響區(qū)域都是在逐漸增大的。

3.3葉柵通道軸向截面總壓損失系數(shù)分析

總壓損失系數(shù)是表征流體能量損失大小和分布的重要參數(shù)。動葉出口截面的總壓損失系數(shù)ζ定義如下：

(1)

式中pt0——動葉進(jìn)口總壓，Pa；

pt-Local——動葉當(dāng)?shù)乜倝?，Pa；

圖4是不同葉頂間隙下扭葉柵通道軸向截面總壓損失系數(shù)分布。從圖中可以看到，在葉片通道端部有渦系出現(xiàn)的地方形成了高損失區(qū)，說明葉頂泄漏渦與上通道渦的摻混作用使汽流在葉片上端區(qū)的能量損失明顯增加。對比圖4a～c可見，隨著葉頂間隙的增大，泄漏流引起的能量損失逐漸增大。當(dāng)葉頂間隙τ=2.0mm時，泄漏渦影響較大部分的葉柵通道范圍，引起汽流在葉柵通道內(nèi)流動的不穩(wěn)定性增強，最終造成動葉通道后部較大的損失，使汽輪機的級內(nèi)效率下降。

a． τ=1.0mm

b． τ=1.5mm

c． τ=2.0mm

3.4不同葉高位置下壓力系數(shù)分析

壓力系數(shù)Cp的定義為：

(2)

式中pstatic——靜壓，Pa；

pref——參考壓力，Pa。

圖5分別是50%和95%葉高位置的扭葉片表面壓力系數(shù)分布。從圖中可以看到，在50%葉高時，葉片內(nèi)弧和背弧表面壓力系數(shù)隨葉頂間隙變化不大。但是，95%葉高時，壓力系數(shù)則隨間隙產(chǎn)生較大的波動，葉頂間隙τ=2.0mm時的波動最為明顯，葉片內(nèi)弧的壓力系數(shù)增大，背弧的壓力系數(shù)在前緣附近增大，但隨后開始迅速下降，壓力系數(shù)的最低點更低并向尾緣的方向移動。這是由于葉頂間隙的增大，導(dǎo)致更多的泄漏流進(jìn)入葉柵通道，造成更大的壓力損失，使背弧壓力系數(shù)迅速降低，內(nèi)弧和背弧的壓力系數(shù)之差增大。因此，若要降低蒸汽流在葉柵通道內(nèi)的損失，提高蒸汽的做功能力，就需要適當(dāng)減小動葉頂部的間隙大小。

a． 50%葉高

b． 95%葉高

4 結(jié)論

4.1葉片適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)設(shè)計，可使靜壓沿徑向的分布獲得改善，壓力梯度變緩，根部的反動度增加，頂部的反動度減少，一定程度上減少了葉頂?shù)男孤┝鲃印?/p>

4.2扭葉片的葉頂泄漏流與葉柵通道內(nèi)的上通道渦相互作用，形成泄漏渦。泄漏渦是以螺旋狀向葉柵下游發(fā)展的，渦核的位置逐漸遠(yuǎn)離吸力面，影響范圍逐漸擴大。當(dāng)間隙增大時，影響會更加顯著。

4.3由泄漏流引起的動葉上端區(qū)損失是葉柵通道內(nèi)損失的主要原因。隨著葉頂間隙的增大，葉頂泄漏渦與上通道渦的摻混作用使葉片上端區(qū)的能量損失逐漸增加。間隙增加會使葉片背弧的壓力迅速下降，從而降低了葉柵通道汽流的做功能力。

[1] Xiao X W，McCarter A A，Lakshminarayana B.Tip Clearance Effects in a Turbine Rotor：Part I—Pressure Field and Loss[J].Journal of Turbomachinery，2001，123(2)：296～304.

[2] Tallman J，Lakshminarayana B.Numerical Simulation of Tip Leakage Flows in Axial Flow Turbines，with Emphasis on Flow Physics：Part I—Effect of Tip Clearance Height[J].Journal of Turbomachinery，2001，123(2)：314～323．

[3] Tallman J，Lakshminarayana B.Numerical Simulation of Tip Leakage Flows in Axial Flow Turbines，with Emphasis on Flow Physics：Part II—Effect of Outer Casing Relative Motion[J].Journal of Turbomachinery，2001，123(2)：324～333.

[4] 曹麗華，張冬雪，胡鵬飛，等.汽輪機動葉柵頂部泄漏流的數(shù)值分析[J].機械工程學(xué)報，2014，50(4)：172～177.

[5] 李偉，喬渭陽，許開富，等.渦輪葉尖泄漏流被動控制數(shù)值模擬[J].推進(jìn)技術(shù)，2008，29(5)：591～597.

[6] 虞跨海，楊茜，岳珠峰.排塵孔渦輪冷卻葉片葉頂流動與傳熱研究[J].機械工程學(xué)報，2012，48(8)：122～127.

[7] 耿少娟，張小玉，聶超群，等.軸流壓氣機葉頂端區(qū)流場周向傳播特性及其預(yù)測[J].機械工程學(xué)報，2012，48(16)：130～138.

[8] 隋永楓，孫義岡，葉鐘，等.汽輪機葉片改型及三維氣動優(yōu)化設(shè)計[J].熱力透平，2011，40(1)：28～32.

[9] 曹麗華，胡鵬飛，李勇，等.汽輪機葉頂間隙泄漏流動的數(shù)值研究[J].化工機械，2011，38(6)：722～745.

[10] 胡鵬飛，曹麗華，李勇，等.汽輪機葉頂間隙變化對葉頂泄漏流動的影響[J].化工機械，2013，40(5)：628～633.

[11] Filippo Rubechini，Andrea Schneider，Andrea Arnone，et al.A Redesign Strategy to Improve the Efficiency of a 17-Stage Steam Turbine[J].Journal of Turbomachinery，2011，134(3)：321～327.

[12] 綦蕾，鄭寧，程洪貴.汽輪機末級三維非定常流動數(shù)值模擬[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2005，31(2)：206～211.

[13] 宋立明，李軍，豐鎮(zhèn)平.跨音速透平扭葉片的氣動優(yōu)化設(shè)計研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2005，39(11)： 1277～1281.

[14] 高學(xué)林，袁新.葉輪機械全三維粘性氣動優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)[J].中國電機工程學(xué)報，2006，26(4)：88～92.

[15] 柴山，張耀明，曲慶文，等.汽輪機扭葉片級間隙氣流激振力分析[J].中國電機工程學(xué)報，2001，21(5)：11～16.

[16] 朱曉峰，袁新.蒸汽透平高壓級扭葉片的氣動優(yōu)化設(shè)計[J].熱力透平，2009，38(4)：217～220.

[17] Cecco S D，Yaras M I，Sjolander S A.Measurements of the Tip-leakage Flow in a Turbine Cascade with Large Clearances[R]. Houston：ASME，1995.

[18] 曹麗華，邵長里，李勇.汽輪機葉片正彎對葉頂間隙泄漏流動影響的數(shù)值研究[J].汽輪機技術(shù)，2012，54(2)：109～111．[19] 李平，張荻，何林，等.具有阻尼拉金和葉頂間隙的汽輪機末級復(fù)雜三維流動特性[J].中國電機工程學(xué)報，2011，31(8)：80～86.

NumericalAnalysisofTwistedBlade’sTipLeakageFlowinSteamTurbine

YANG Jing, YANG Song

(ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Twisted blades of an intermediate pressure turbine were investigated numerically and the leakage flow under different tip clearances of twisted blades was analyzed, including the formation and the development of twisted blades passage vortex and its influence on the performance of turbine stage．The results show that, the appropriate twist of blades can slow down the radial pressure gradient and increase the root reaction and decrease the tip reaction as well as control the development of leakage flow to a certain degree; and the leakage vortexes at twisted blades tip in stage passage can develop toward downstream spirally and the position of vortex core leaves the suction gradually as it flows; with the increase of the tip clearance, the strength of leakage vortex can become larger and its mixing effect between the up passage vortexes gets enhanced to result in a greater flow loss．

steam turbine, twisted blade, tip clearance, leakage flow, passage vortex

*楊 靜，女，1979年7月生，講師。吉林省長春市，130012。 楊 松

TQ051.21

A

0254-6094(2016)05-0655-06

2015-10-10，

2016-05-05)