汽輪機低壓缸末級葉頂間隙泄漏流動的數(shù)值研究

張炳文，李天巍，李 勇

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

汽輪機低壓缸末級葉頂間隙泄漏流動的數(shù)值研究

張炳文，李天巍，李 勇

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

借助商用計算流體動力學(xué)軟件CFX，選用帶剪切應(yīng)力傳輸?shù)腟hear Stress Transport(SST)流體模型，對不同容積流量下某大型汽輪機低壓缸末級動葉頂部間隙進行了三維黏性定常流動的數(shù)值研究，分析了葉頂間隙的流動特性。結(jié)果表明：在設(shè)計容積流量時，壓力面附近的流體在壓力面和吸力面壓差的作用下泄漏到吸力面處。相對容積流量k=0.36時，在從前緣開始到葉型中間的位置，吸力面汽流泄漏到壓力面，而葉型中間位置到尾緣的范圍內(nèi)，保持原來的流向不變。在相對容積流量k=0.19時，在從前緣開始的大部分弦長上，吸力面汽流會泄漏到壓力面，只有尾緣一小部分范圍保持了原本的流向。在所有的工況下，可以見到汽流流過葉頂間隙時，由于不能像墻壁那樣拐彎，在葉頂正上方回流區(qū)形成很小的回流渦。葉頂間隙對葉片頂部的流場有一定影響，但影響不大。

汽輪機；末級葉片；小容積流量；葉頂間隙；數(shù)值研究

由于汽輪機轉(zhuǎn)子與汽缸壁的相對運動，動葉葉頂與汽缸壁之間存在一定的間隙。當(dāng)蒸汽在葉片通道內(nèi)流動時，葉片壓力面和吸力面的壓差促使一部分流體從一邊流到另一邊，造成泄漏損失。汽輪機在小容積流量下運行并不鮮見，低負荷運行、空冷機組、凝汽式供熱機組以及抽汽供熱式機組抽汽量很大時，會出現(xiàn)小容積流量工況。所以，對小容積流量下末級動葉葉頂間隙的流場研究有很大的必要性。

文獻[1]的模擬表明，葉尖間隙對從大約70%葉高到葉尖位置的葉片損失具有明顯的影響，有葉尖間隙時的壓力損失系數(shù)或能量損失系數(shù)比沒有葉尖間隙時的壓力損失系數(shù)或能量損失系數(shù)大，而且隨著間隙的增大，損失明顯增大。文獻[2]的模擬表明，由于葉頂間隙的泄漏流與通道內(nèi)主流相互作用形成泄漏渦，隨著葉頂間隙的增加，泄漏渦的影響更大。文獻[3]表明，葉頂間隙流對動葉效率有很大的負面影響，隨著間隙的增大，流動損失迅速增長。在沿軸向間隙前部，間隙流由隨流動慣性進入間隙的端壁邊界層成為流體主導(dǎo)，但葉頂兩側(cè)壓差所導(dǎo)致的橫向流動很快主導(dǎo)了間隙內(nèi)的流場，成為間隙渦產(chǎn)生的主要原因。文獻[4]表明在葉頂前部靠近吸力面的區(qū)域，進口端壁邊界層的流動慣性是間隙流形成的主要原因。文獻[5]研究了帶圍帶的動葉頂部間隙內(nèi)泄漏流動對動葉流動效率以及下一級靜葉進口汽流角的影響特性。文獻[6]采用FLUENT軟件對某300 MW汽輪機高壓反動級葉柵的內(nèi)部流動損失進行數(shù)值分析。結(jié)果表明，隨著級進汽流量的減少，同一通流部分截面內(nèi)的熵函數(shù)值呈逐漸上升趨勢；葉柵壓力橫向梯度加劇，導(dǎo)致端壁二次渦區(qū)影響范圍增大，損失逐漸增大；動葉尾部流場紊亂程度增大，湍流動能增大；壓力系數(shù)沿流動方向逐漸增大，高損失區(qū)首先在前緣部分產(chǎn)生。文獻[7]采用計算流體動力學(xué)軟件分析某汽輪機高壓級葉頂汽封內(nèi)的泄漏流動特性及泄漏流在級后與主流的摻混過程，分析結(jié)果表明，汽封間隙內(nèi)充滿著復(fù)雜的渦運動。文獻[8]以某汽輪機高壓級動葉為研究對象，對在相同葉頂間隙高度下的常規(guī)扭葉片和正彎扭葉片的葉頂間隙流動進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：與常規(guī)扭葉片相比，葉片正彎提高了汽流在葉頂區(qū)的最低壓力值，減小了葉頂壓力邊與吸力邊的橫向壓力梯度。文獻[9]和文獻[10]也采用數(shù)值模擬方法對熱能設(shè)備進行了性能估計，顯現(xiàn)了數(shù)值模擬方法及其應(yīng)用軟件的有效性。

本文采用商業(yè)CFX，獲得了某330 MW汽輪機低壓缸末級在不同容積流量下的三維流場，全面分析了高背壓小容積流量時末級葉片葉頂間隙的流場特性。

1 幾何模型與數(shù)值方法

圖1 模型和網(wǎng)格劃分

圖1為末級單流道網(wǎng)格，本文的低壓缸末級動葉高度為1 000 mm，靜葉高度為953 mm，靜葉葉頂呈45度傾角，動靜葉間隙為115.2 mm，動葉葉頂間隙為11.2 mm。為了更好地模擬末級流場，在靜葉入口和末級出口加一定距離的延長段，使汽流充分發(fā)展。網(wǎng)格在TurboGrid中生成，靜葉網(wǎng)格數(shù)為72萬，動葉網(wǎng)格數(shù)為74萬，網(wǎng)格總數(shù)為146萬。

模擬采用CFX中的k-ε和SST流體模型，當(dāng)背壓比較低時，采用k-ε模型；背壓升高后，采用適用于有流動分離流場的SST流體模型。工質(zhì)選擇真實濕蒸汽模型IAPWS-IF97標(biāo)準steam3vl水蒸汽模型，該模型適用于壓力為0.1 kPa-200 kPa，溫度在273 K-550 K的濕水蒸汽流動工況。

2 結(jié)果與分析

由于末級動葉在葉頂處的葉型與軸向的角度已經(jīng)超過45度，所以取垂直軸向截面已不能很好地表現(xiàn)葉頂間隙的流動，為了更好地顯示末級葉頂間隙的流暢情況，本文取的是子午面，當(dāng)子午面旋轉(zhuǎn)到葉頂前緣時，稱之為0倍弦長子午面，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到葉頂尾緣時，為1倍弦長子午面，中間依次為0.1倍到0.9倍弦長子午面。本文采用質(zhì)量入口和壓力出口模型，在計算域進口給定質(zhì)量流量為2.607 0 kg/s，出口給定不同的背壓，為了方便取值，先是取4.9 kPa和10 kPa，然后按照5 kPa遞增，最終為背壓40 kPa。本文的容積流量用相對容積流量來表示，即變工況之后的容積流量與標(biāo)況下的容積流量的比值，用字母k表示。

2.1 不同工況下葉頂不同位置流場分析

圖2 不同工況下葉頂間隙0.3倍弦長子午面流線圖

從圖2可以看出，背壓為4.9 kPa和10 kPa時，葉頂間隙處沒有漩渦，間隙的流體從壓力面流向吸力面；當(dāng)壓力升高到15 kPa時，在壓力面出現(xiàn)明顯的漩渦，并且蒸汽流向發(fā)生改變，在葉頂蒸汽從吸力面?zhèn)攘飨驂毫γ鎮(zhèn)?；在背壓?0 kPa和30 kPa時，壓力面?zhèn)鹊匿鰷u逐漸增大，蒸汽流向從吸力面到壓力面。

圖3 背壓4.9 kPa葉頂間隙不同位置子午面圖

三種工況下不同位置子午面葉頂間隙放大后的流線圖，如圖3所示。本文中葉頂間隙流線圖左側(cè)為壓力面，右側(cè)為吸力面。從圖3可以看出，標(biāo)況下葉頂?shù)牧鲃雍茼槙常捎趬毫γ婧臀γ娴膲翰钭饔?，汽流在整個弦長上都是從壓力面流向吸力面，在取0.5倍弦長時，由于汽流不能像墻壁那樣拐彎，在動葉葉頂處形成一個很小的渦。

圖4 背壓15 kPa(k=0.36)葉頂間隙不同位置子午面流線圖

從圖4可以看出，在背壓為15 kPa時，0.1倍弦長處，汽流由吸力面流到壓力面，由于汽流不能向墻壁一樣拐彎，汽流從吸力面流向壓力面時，會在葉頂正上方形成一個回流渦。在0.5倍弦長處，汽流流向仍為吸力面到壓力面。當(dāng)子午面旋轉(zhuǎn)到0.6倍弦長時，已經(jīng)有一部分汽流從壓力面流向吸力面。在0.9倍弦長處，汽流由壓力面流向吸力面。

圖5 背壓3 0kPa(k=0.19)葉頂間隙不同位置子午面流線圖

從圖5可以看出，在背壓為30 kPa時，在0.1倍弦長處，汽流由吸力面流向壓力面，且在葉頂形成一個很小的漩渦，這個漩渦有與壓力面渦融合的趨勢。在0.5倍和0.8倍弦長處，汽流流向仍為吸力面到壓力面。只有當(dāng)子午面旋轉(zhuǎn)到0.9倍弦長時，汽流流向才變?yōu)橛蓧毫γ娴轿γ?，且在葉頂形成回流渦。

圖6 不同容積流量下葉頂流場相對速度矢量圖

從圖6可以看出，在背壓為4.9 kPa時，在葉片前緣處，有少部分蒸汽在慣性作用下，從前緣直接流向壓力面，但是在壓力面和吸力面壓差的作用下，很快地從壓力面流到吸力面，之后的流向也是從壓力面流向吸力面。在背壓為10 kPa時，從吸力面流向壓力面的部分增大，但仍然很小，大部分區(qū)域仍保持原來的流向。在背壓為15 kPa時，葉頂前半部分流向為從吸力面到壓力面，后半部分為從壓力面到吸力面。當(dāng)背壓升高到30 kPa時，葉頂從前緣開始的大部分區(qū)域，汽流流向都是從吸力面到壓力面，只有尾緣處一小部分保持原來的流向。

2.2 不同工況下葉頂壓力分布

圖7 不同容積流量下葉頂處壓力云圖

為了找出葉頂間隙處流向變化的原因，圖7列出了4.9 kPa到30 kPa的葉頂處壓力分布云圖。可以看出，在背壓為4.9 kPa和10 kPa時，葉頂處壓力面?zhèn)鹊膲毫Υ笥谖γ鎮(zhèn)?；?5 kPa開始，前緣附近吸力面?zhèn)鹊膲毫Υ笥趬毫γ鏈y；在背壓為20 kPa和30 kPa時，從前緣開始的大部分區(qū)域都是吸力面壓力大于壓力面，至于尾緣處一小部分區(qū)域壓力面壓力大于吸力面，這就導(dǎo)致了葉頂處的汽流流向的改變。

2.3 葉頂間隙對葉頂流場的影響

為了研究葉頂間隙對葉頂流場的影響，圖8和圖9列出了有間隙和無間隙葉頂流場的對比圖，由于篇幅限制，只取了15 kPa和30 kPa兩種工況下的0.1倍弦長子午面進行對比，且與圖3相比截取的圖面范圍要大些。

圖8 背壓15 kPa(k=0.36) 葉頂0.1倍弦長子午面有無間隙對比圖

圖9 背壓30 kPa(k=0.19)葉頂有無間隙0.1倍弦長子午面對比圖

從圖8可以看出，產(chǎn)生兩種情況，即有間隙和無間隙。有間隙時，葉頂正上方有回流渦；無間隙時，則沒有。有無間隙壓力面?zhèn)?，在第一個小渦處有些差別，但在第二個大渦處差別不大。在吸力面且無間隙時，由于流體不能像壁面那樣呈90度拐彎，在葉片吸力面和汽缸壁夾角處有一個渦，而有葉頂間隙時則沒有。

由于30 kPa時葉頂渦更大，所以圖9截取的范圍也更大一些。從總體來看，有無葉頂間隙對葉頂流場的影響不大。有間隙時有葉頂渦，而無間隙時沒有。在壓力面?zhèn)?，第一個小渦的形狀和大小差別較大。在吸力面?zhèn)?，吸力面且無間隙時，由于流體不能像壁面那樣拐彎，所以在葉片吸力面和汽缸壁夾角處有一個渦，而有葉頂間隙時則沒有。

3 結(jié) 論

通過對不同容積流量下低壓缸末級動葉頂部間隙的數(shù)值研究，揭示了小容積流量下末級動葉頂間隙流場流動特性的變化規(guī)律，并通過分析比較獲得如下結(jié)論。

(1)在設(shè)計容積流量時，壓力面附近的流體在壓力面和吸力面壓差的作用下泄漏到吸力面處。相對容積流量k=0.36時，在從前緣開始到葉型中間的位置，吸力面汽流泄漏到壓力面，而葉型中間位置到尾緣的范圍內(nèi)，保持原來的流向不變。在相對容積流量k=0.19時，在從前緣開始的大部分弦長上，吸力面汽流會泄漏到壓力面，只有尾緣一小部分范圍保持了原本的流向。

(2)在所有的工況下，都可以見到汽流流過葉頂間隙時，由于不能像墻壁那樣拐彎，在葉頂正上方回流區(qū)形成很小的回流渦。

(3)葉頂間隙對葉片頂部的流場有一定影響，但影響有限。沒有葉頂間隙時，在吸力面?zhèn)热~片和汽缸壁的夾角處會產(chǎn)生一個漩渦，有間隙時則沒有。在容積流量減小時，由于動靜葉葉頂處的壓差會在壓力面?zhèn)刃纬蓮?fù)雜的漩渦結(jié)構(gòu)，葉頂間隙對其中第一個渦的形狀有一定影響。

[1] 許開富，喬渭陽，羅華玲.渦輪葉尖間隙流動的數(shù)值模擬[J].熱能動力工程，2009，24(4)：432-436.

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Numerical Analysis on Flow Field in Blade Tip clearance in Last Stage of Steam Turbine at Small Volumetric Flow

ZHANG Bing-wen，LI Tian-wei，LI Yong

(Energy and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012 )

Using the commercial computational flow dynamics software CFX，the 3d steady viscous flow field of the last stage blade tip clearance with different volume flow has been studied.This paper analysis the flow field of the blade tip clearance.The result show that due to the pressure gradient which is formed between the pressure side and the suction side，the fluid near the pressure side is absorbed into the suction side at the design volume flow rate.At 36% of the design volume flow rate the flow near the suction side is absorbed into the pressure side from the lead edge to the middle of the blade tip，and the flow direction remain unchanged from the tail edge to the middle of the blade.At 36% of the design volume flow rate the flow near the suction side is absorbed into the pressure side at the most of the blade tip clearance from the lead edge，and the flow direction remain unchanged at a small part from the tail edge.A small vortex is formed just above the blade tip when the steam flow through the blade tip clearance under all the working conditions，but the leakage vortex as in the high pressure stage can not be found.The blade tip clearance have certain influence on the flow，but the influence is limited.

Steam turbine；Last stage blade；Small volumetric flow；Blade tip clearance；Numerical simulation

2016-04-12

張炳文(1953-)，男，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院教授，碩士，主要研究方向：火電廠節(jié)能技術(shù).

1005-2992(2016)06-0036-07

TK262

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