渦輪末級(jí)導(dǎo)葉頂部彎曲對(duì)氣動(dòng)影響的研究

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(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及對(duì)循環(huán)效率的持續(xù)追求，高溫高負(fù)荷的渦輪設(shè)計(jì)已經(jīng)成為未來先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在葉輪機(jī)械中，由于粘性及其復(fù)雜邊界條件的限制，從而產(chǎn)生了各種各樣的二次流動(dòng)，近幾十年來研究者提出了多種控制二次流動(dòng)的方法，由于彎葉片對(duì)減少二次流損失效果顯著，并且具有很好的變工況性能，因此得到了廣泛的重視[1-2]。

自上世紀(jì)60年代初期首次提出彎曲葉片成型方法以來，國(guó)內(nèi)外的很多研究人員對(duì)渦輪葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的理論探討和試驗(yàn)研究[3]。雖然彎曲葉片技術(shù)在葉輪機(jī)械領(lǐng)域得到了一定范圍的應(yīng)用，但是對(duì)于不同葉片應(yīng)用彎葉片設(shè)計(jì)方法后所得到的氣動(dòng)性能卻各有差異。除此之外，葉片的彎曲參數(shù)和形式差異也會(huì)得到截然不同的效果[4]，因此所取得的收益也不同。Shieh等[5]用有限元體積法計(jì)算徑向和兩類切向彎曲導(dǎo)葉的軸流渦輪級(jí)三維雷諾平均N-S方程。給出了一個(gè)軸向渦輪級(jí)的三維流動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果。通過對(duì)徑向葉型的切向位移，得到了彎曲導(dǎo)葉，仿真過程在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的輔助下得到了驗(yàn)證。Yao等[6]對(duì)跨音速和超音速流動(dòng)條件下的彎曲葉片進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了彎曲葉片降低沖擊損失的機(jī)理，分析了彎曲葉片對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。Ding等[7]研究了彎曲葉片的不同彎曲高度和正彎角對(duì)二元流道內(nèi)氣動(dòng)性能和渦結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一定的彎曲高度下，存在一個(gè)最佳彎角。正彎角較大，或接近最佳彎角時(shí)，在彎曲葉片的作用下，沿展向負(fù)荷側(cè)的損耗峰值急劇增加。王前等[8]通過實(shí)驗(yàn)研究了彎曲靜子葉片分別為彎曲葉片和直葉片時(shí)葉尖射流的擴(kuò)穩(wěn)效果以及內(nèi)部流場(chǎng)信息。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，彎曲靜子葉片使得葉尖射流的擴(kuò)穩(wěn)效果更加顯著。王建明等[9]采用數(shù)值模擬的方法研究了一系列彎高和不同彎角的葉片周向彎曲造型設(shè)計(jì)對(duì)氣動(dòng)性能的影響。結(jié)果表明，動(dòng)葉的周向彎曲能夠引起葉頂?shù)湍芰黧w向主流區(qū)遷移，從而降低葉頂區(qū)域的流動(dòng)損失，但在主流區(qū)流動(dòng)損失有所增加，并且葉片通道內(nèi)流體的質(zhì)量流量沿葉高方向被重新分配。潘賢德等[10]研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉采用正彎設(shè)計(jì)，端區(qū)損失明顯減少，葉中損失略有增大，導(dǎo)葉總損失減少；同時(shí)導(dǎo)葉彎曲還改善了下游動(dòng)葉的進(jìn)氣條件，減小了動(dòng)葉損失，最終提高了高壓渦輪效率。丁俊等[11]以環(huán)形擴(kuò)壓葉柵為研究對(duì)象,通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法,分析了試驗(yàn)結(jié)果。發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)最佳彎葉片彎角以平衡集中脫落渦和壁角渦對(duì)葉柵出口總壓損失分布的影響。

本文以進(jìn)口溫度達(dá)到1 600℃的重燃渦輪末級(jí)導(dǎo)葉為研究對(duì)象。由于末級(jí)面臨著較為嚴(yán)重的氣動(dòng)問題，相比于F級(jí)重燃渦輪，末級(jí)的反動(dòng)度明顯增高，尤其在葉頂部分，反動(dòng)度超過0.65。另外末級(jí)動(dòng)葉面臨的激波問題也不容小視，且馬赫數(shù)最高的位置依然出現(xiàn)在葉頂附近。針對(duì)以上，考慮結(jié)合葉片的三維造型技術(shù)，采用了哈爾濱工業(yè)大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體動(dòng)力研究中心自主開發(fā)的葉片彎曲生成程序，自動(dòng)生成彎葉片葉型文件。其中葉頂彎曲設(shè)計(jì)均改變了葉片表面的壓力梯度，從而改變?nèi)~柵的氣動(dòng)性能。本文通過改變末級(jí)導(dǎo)葉的徑向積疊方式，來改變末級(jí)反動(dòng)度分布，并分析它們對(duì)氣動(dòng)性能的影響。

1 計(jì)算方法

針對(duì)氣冷渦輪葉片參數(shù)較多，網(wǎng)格生成較為復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)，且三維設(shè)計(jì)算例較多的問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體動(dòng)力研究中心開發(fā)了新一代網(wǎng)格生成軟件，可以快速生成三維計(jì)算所需的網(wǎng)格，可檢查網(wǎng)格生成質(zhì)量，并加入新結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格生成模塊，包括葉根葉頂?shù)菇?、自由徑向間隙或帶有篦齒封嚴(yán)的根頂結(jié)構(gòu)、尾緣全劈縫及半劈縫、葉身冷氣孔或冷氣縫的網(wǎng)格生成、上下端壁網(wǎng)格的生成(包括葉柵前緣、葉柵通道內(nèi)部近壓力面?zhèn)扰c近吸力面?zhèn)?。本文三維計(jì)算所用的網(wǎng)格均由此HIT-areomesh軟件生成。

本文采用商用軟件ANSYS CFX對(duì)設(shè)計(jì)好的四級(jí)渦輪進(jìn)行氣動(dòng)特性的三維數(shù)值模擬計(jì)算。主要目的是分析其三維氣動(dòng)特點(diǎn)。

2 葉頂彎曲設(shè)計(jì)研究方案

本研究包括±30°、±20°和±10°六個(gè)不同彎角的計(jì)算方案?？紤]到原始設(shè)計(jì)中，末級(jí)根部的流動(dòng)特性較為合理，且葉根部分彎曲對(duì)損失的降低收益較小，故僅對(duì)導(dǎo)葉葉頂進(jìn)行彎葉片設(shè)計(jì)，來研究其對(duì)末級(jí)流動(dòng)性能的影響。

本文研究的重燃渦輪末級(jí)葉片，屬于長(zhǎng)葉片范疇，展弦比較大，積疊線形式采取頂端與中部采用直線，兩段直線采用拋物線進(jìn)行連接過渡，稱為L(zhǎng)-C-L-C-L型積疊，采用此方式的積疊形式可以減小葉柵端部的葉型損失。圖1為葉頂正彎30°(+30°)時(shí)的末級(jí)葉片幾何示意圖。

3 葉頂彎曲設(shè)計(jì)方案結(jié)果分析

圖2給出了末級(jí)在不同葉頂彎角時(shí)的反動(dòng)度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著彎曲角度的增大末級(jí)反動(dòng)度也在不斷增大。由于原始設(shè)計(jì)存在末級(jí)反動(dòng)度較大的問題，因此葉頂負(fù)彎角會(huì)在一定程度上改善這一問題，同時(shí)也要關(guān)注反動(dòng)度沿葉高的分布情況。圖3給出了末級(jí)反動(dòng)度沿葉高的分布曲線，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雖然在正彎30°(+30°)時(shí)整體的反動(dòng)度降低，但對(duì)葉片頂部區(qū)域來說，反動(dòng)度較其他方案有所增大，達(dá)到了0.7，而在葉身中下部反動(dòng)度降低。

圖4給出了動(dòng)葉出口馬赫數(shù)沿葉高分布，可以看出末級(jí)出口馬赫數(shù)均大于1，屬于跨聲速葉柵，并且沿葉高馬赫數(shù)不斷增加，其中-30°彎角時(shí)馬赫數(shù)分布較為均勻，隨著角度的減小，葉頂部分馬赫數(shù)逐漸增大，葉身馬赫數(shù)逐漸減小。

圖5給出了末級(jí)導(dǎo)葉與動(dòng)葉能量損失隨葉頂彎角變化的折線圖，在葉頂反彎時(shí)，導(dǎo)葉的能量損失均大于原始設(shè)計(jì)，當(dāng)葉頂彎正彎時(shí)，導(dǎo)葉的能量損失均小于原始設(shè)計(jì)，導(dǎo)葉損失在正彎30°時(shí)最小，其數(shù)值為0.017 78，與原始設(shè)計(jì)的0.021 55相比能量損失降低17.49%；對(duì)于動(dòng)葉而言出現(xiàn)同樣的情況，即導(dǎo)葉葉頂正彎時(shí)，動(dòng)葉的能量損失也小于原始設(shè)計(jì)，當(dāng)導(dǎo)葉葉頂反彎時(shí)，動(dòng)葉的能量損失均大于原始設(shè)計(jì)，并且存在最佳彎角，目前的計(jì)算方案而言，導(dǎo)葉葉頂正彎20°時(shí)，動(dòng)葉能量損失最小為0.125 4，相比于原始方案動(dòng)葉能量損失系數(shù)的0.128 99，下降2.78%。相比于兩端彎曲能量損失系數(shù)下降的原因是葉片下端壁附近，本身由于二次流動(dòng)尺度較小，本身具備良好的流動(dòng)性能，再進(jìn)行葉根彎曲后不能夠減小損失，反而由于產(chǎn)生葉根至葉片中部的徑向力，使得葉片中部負(fù)荷的增加，導(dǎo)致葉片中部損失增大，抵消了由葉頂彎曲產(chǎn)生的有益影響，而僅葉頂彎曲時(shí)，如圖6(a)所示，在不增加葉身?yè)p失的同時(shí)，減小了頂部損失系數(shù)，最終達(dá)到了減小損失的目的。對(duì)于動(dòng)葉而言，導(dǎo)葉正彎時(shí)，動(dòng)葉頂部的能量損失也有所減小，但葉身中下部損失增加。

圖7給出了型面壓力曲線對(duì)比圖，(a)、(c)、(e)分別為導(dǎo)葉10%、50%與90%葉高處的型面壓力分布，可以看出隨著彎曲角度從-30°增大到30°，10%與50% 葉高處的型面壓力曲線所圍成的面積增大，葉片所受負(fù)荷增加，并且可以看出壓力面曲線和吸力面前部降壓段曲線基本吻合，在逆壓梯度段開始發(fā)生變化，說明導(dǎo)葉葉頂正彎導(dǎo)致葉片中下部逆壓段的壓力有所下降，而在90%葉高處則正好相反，正彎30°的方案所受負(fù)荷最小，并且沒有發(fā)生壓力的突變，說明葉頂正彎30°時(shí)導(dǎo)葉激波損失最小。圖7(b)、(d)、(f)為動(dòng)葉在三個(gè)截面上的型面壓力分布，產(chǎn)生較大差異的同樣是在90%葉高處，首先是前緣進(jìn)氣攻角發(fā)生變化，原始設(shè)計(jì)本身存在負(fù)攻角的問題，當(dāng)進(jìn)行導(dǎo)葉彎曲后，正彎反彎均會(huì)增大負(fù)攻角。

4 結(jié)論

針對(duì)1 600℃ J級(jí)重燃渦輪末級(jí)面臨反動(dòng)度較高的問題，對(duì)末級(jí)導(dǎo)葉進(jìn)行葉頂彎曲造型，得到以下結(jié)論:

(1)導(dǎo)葉頂端彎曲時(shí)，會(huì)對(duì)導(dǎo)葉與動(dòng)葉性能同時(shí)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致導(dǎo)葉出口氣流角發(fā)生改變，從而對(duì)動(dòng)葉片攻角匹配產(chǎn)生影響。葉片的彎角大小會(huì)對(duì)渦輪級(jí)的反動(dòng)度、馬赫數(shù)、葉片表面靜壓等氣動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生較大的影響；

(2)對(duì)葉頂彎曲的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葉頂正彎時(shí)，導(dǎo)葉與動(dòng)葉的總能量損失系數(shù)均有所減小，導(dǎo)葉的能量損失在導(dǎo)葉葉頂正彎30°時(shí)最?。粚?dǎo)葉葉頂正彎20°時(shí)，動(dòng)葉能量損失最小;

(3)導(dǎo)葉葉頂正彎導(dǎo)致葉片中下部負(fù)荷增加, 而在90%葉高處則正好相反，正彎30°的方案中葉片負(fù)荷最小。