凹槽狀小翼對渦輪動葉葉頂氣動和傳熱性能的影響

姜世杰,李志剛,李軍

(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安)

燃?xì)鉁u輪進(jìn)口溫度和壓力的升高在提高能量轉(zhuǎn)換效率、降低熱耗率的同時,推動了燃?xì)鉁u輪向大功率方向發(fā)展。渦輪動葉葉頂間隙的高溫泄漏燃?xì)馀c動葉主流通道渦和二次流渦相互摻混,降低了動葉氣動效率,同時導(dǎo)致動葉頂部產(chǎn)生高傳熱系數(shù),具有高熱負(fù)荷的動葉頂部傳熱及冷卻問題導(dǎo)致葉頂燒蝕是渦輪動葉失效的主要原因[1]。動葉葉頂和機(jī)匣之間存在相對運(yùn)動,高溫泄漏燃?xì)庠谛D(zhuǎn)作用下受到離心力、科氏力的影響,葉頂間隙的復(fù)雜流動形態(tài)為凹槽葉頂構(gòu)型設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。目前,為減少葉頂間隙泄漏損失、降低葉頂?shù)臒嶝?fù)荷,從而提高渦輪動葉的氣熱性能,Bunker等指出,構(gòu)型設(shè)計是提高葉頂氣熱性能的關(guān)鍵技術(shù)之一[2-3]。

科研人員對渦輪動葉葉頂間隙泄漏流和傳熱特性做了大量研究。Kwak等通過實驗測量方法對6種靜止?fàn)顟B(tài)下不同肩壁結(jié)構(gòu)葉頂壁面換熱系數(shù)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明凹槽狀葉頂明顯降低了葉頂壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù),不同葉頂肩壁結(jié)構(gòu)幾何排列改變了泄漏流動路徑,導(dǎo)致了不同傳熱系數(shù)分布[4]。鐘兢軍等基于直列葉柵實驗驗證了葉頂小翼結(jié)構(gòu)能減小泄漏量并提升葉柵氣動性能[5]。張敏等采用數(shù)值方法研究了1.5級動葉葉頂小翼結(jié)構(gòu)對渦輪級氣動性能的影響,結(jié)果表明,葉頂小翼結(jié)構(gòu)能抑制泄漏流與主流的摻混,進(jìn)而減少泄漏損失[6]。

在葉頂傳熱特性研究方面,Azad等對凹槽狀葉頂泄漏流動和傳熱特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,凹槽狀結(jié)構(gòu)比平葉頂?shù)男孤┝坑酗@著的減少并降低了葉頂平均傳熱系數(shù)[7]。楊佃亮等數(shù)值研究了凹槽狀葉頂肩壁位置對泄漏流動和傳熱特性的影響,結(jié)果表明吸力側(cè)肩壁的凹槽葉頂具有最低的平均傳熱系數(shù)[8]。Coull等研究了帶小翼凹槽狀葉頂?shù)膫鳠岷蜌鈩有阅?結(jié)果發(fā)現(xiàn),相比于平葉頂結(jié)構(gòu),帶小翼的葉頂結(jié)構(gòu)可提升46%氣動性能,同時降低了葉頂平均傳熱系數(shù)[9]。Zou等提出了葉頂小翼結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了氣動性能和傳熱特性的研究,指出了葉頂小翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則[10]。黃琰等數(shù)值研究了靜止?fàn)顟B(tài)下葉頂壓力側(cè)小翼對其氣熱性能的影響,指出壓力側(cè)小翼在靜止?fàn)顟B(tài)能減少葉頂泄漏流量并降低葉頂傳熱系數(shù)[11]。Zhong等指出了小翼結(jié)構(gòu)在亞聲速和跨聲速流動條件下均能改善葉頂傳熱性能[12-13]。Zhou等發(fā)展了提高葉頂氣熱性能的小翼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,提高了葉頂?shù)臍鉄嵝阅躘14]。

目前,葉頂小翼氣熱性能研究中,小翼結(jié)構(gòu)設(shè)計采用平面小翼結(jié)構(gòu)來提升葉頂性能,但這些小翼結(jié)構(gòu)沒有使用凹槽設(shè)計。本文基于GE-E3渦輪級動葉凹槽狀葉頂,在平面小翼的基礎(chǔ)上設(shè)計了壓力側(cè)、吸力側(cè)和兩側(cè)設(shè)計凹槽狀小翼3種葉頂小翼結(jié)構(gòu),并采用數(shù)值方法對比分析凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)對葉頂泄漏流動和傳熱特性的影響。本文研究工作將為提高渦輪葉頂?shù)臍鉄嵝阅茉O(shè)計提供參考。

1 數(shù)值方法和驗證

(a)GE-E3渦輪級計算域

(b)GE-E3動葉葉頂計算網(wǎng)格圖1 GE-E3渦輪級和動葉葉頂計算網(wǎng)格

GE-E3渦輪級結(jié)構(gòu)[15]和動葉凹槽狀葉頂計算網(wǎng)格如圖1所示,渦輪級主要幾何參數(shù)如表1所示。葉頂間隙厚度和肩壁厚度為動葉葉高的1%,凹槽深度為動葉葉高的2%。采用ANSYS-ICEM生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,計算域包含靜葉和動葉流道,流道兩側(cè)采用周期性邊界條件;為防止回流造成影響,動葉出口設(shè)在動葉尾緣1.8倍軸向弦長處。為保證網(wǎng)格質(zhì)量,葉片壁面周圍和葉頂間隙內(nèi)均采用O型網(wǎng)格,壁面網(wǎng)格進(jìn)行加密處理以保證壁面y+<1.0,數(shù)值計算采用二階迎風(fēng)格式,動靜交界面為混合平面方法,當(dāng)計算殘差達(dá)到10-4以下時可認(rèn)為計算收斂。

表1 渦輪級幾何參數(shù)[15]

數(shù)值計算邊界條件[15]如表2所示,渦輪級靜葉進(jìn)口給定總溫、總壓,動葉出口給定靜壓,壁面采用無滑移等溫條件。傳熱系數(shù)定義為

h=q/(Tw-Tad)=(q1-q2)/(T1-T2)

(1)

式中:q為壁面的傳熱量;Tw為壁面溫度;Tad為靠近壁面的流體溫度。采用文獻(xiàn)[10]的方法,根據(jù)壁面溫度條件下的傳熱量之差來計算傳熱系數(shù),q1、q2是在壁面溫度為T1、T2條件下的壁面?zhèn)鳠崃?T1=490 K,T2=510 K。

表2 渦輪級數(shù)值計算邊界條件[15]

4種湍流模型下葉頂傳熱系數(shù)與實驗數(shù)據(jù)[15]云圖的對比如圖2所示,可知標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型的傳熱系數(shù)分布與實驗數(shù)據(jù)吻合。Ledezma等驗證了采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型研究小翼葉頂氣熱性能的有效性[16-18]。

(a)實驗數(shù)據(jù)[15]

(b)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型 (c)標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型

(d)RNGk-ε模型 (e)SSTk-ω模型
圖2 不同湍流模型下葉頂傳熱系數(shù)等值線云圖對比

表3 計算網(wǎng)格無關(guān)性驗證

(a)壓力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)2)

(b)吸力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)3)

(c)壓力側(cè)和吸力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)4)圖3 3種凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)尺寸和計算網(wǎng)格

2 葉頂小翼結(jié)構(gòu)

本文在常用平面小翼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計使用凹槽狀小翼結(jié)構(gòu),3種凹槽狀小翼的幾何尺寸和計算網(wǎng)格如圖3所示,圖中小翼寬度為3 mm,為葉片厚度的0.4倍,小翼上肩壁厚度、高度均和中間肩壁相同。沒有小翼結(jié)構(gòu)的凹槽狀葉頂稱為結(jié)構(gòu)1,壓力側(cè)凹槽狀小翼葉頂稱為結(jié)構(gòu)2,吸力側(cè)凹槽狀小翼葉頂稱為結(jié)構(gòu)3,壓力側(cè)和吸力側(cè)具有凹槽狀小翼葉頂稱為結(jié)構(gòu)4。動葉凹槽狀小翼葉頂?shù)闹饕獛缀螀?shù)如表4所示。

表4 凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)幾何尺寸

3 結(jié)果分析

3.1 傳熱特性

凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)葉頂壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等值線云圖和壁面極限流線如圖4所示。由圖4可知:葉頂結(jié)構(gòu)1的凹槽底部再附線周圍出現(xiàn)一條平行于壓力側(cè)肩壁的高傳熱系數(shù)區(qū);凹槽前緣位置由葉頂泄漏流沖擊作用產(chǎn)生另一個高傳熱系數(shù)區(qū);壓力側(cè)和吸力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)2、3的凹槽底部高傳熱系數(shù)區(qū)得到有效減弱;壓力側(cè)和吸力側(cè)兩側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)4的凹槽底部高傳熱系數(shù)區(qū)進(jìn)一步降低,葉頂前緣附近的高傳熱系數(shù)區(qū)基本消失。

(a)結(jié)構(gòu)1 (b)結(jié)構(gòu)2

(c)結(jié)構(gòu)3 (d)結(jié)構(gòu)4圖4 葉頂壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等值線云圖和極限流線

4種凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)的葉頂平均傳熱系數(shù)的對比如圖5所示,可知相比于結(jié)構(gòu)1,結(jié)構(gòu)2、3、4的葉頂表面平均傳熱系數(shù)分別降低了12.2%、17.1%、19.8%。結(jié)果表明,葉頂吸力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)比壓力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)更小,在葉頂壓力、吸力兩側(cè)同時設(shè)計凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)能最大程度降低葉頂熱負(fù)荷。

3.2 葉頂間隙內(nèi)流動結(jié)構(gòu)

葉頂間隙泄漏流動形態(tài)決定凹槽壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布,4種凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)的葉頂間隙泄漏流形態(tài)如圖6所示。對于葉頂結(jié)構(gòu)1,間隙泄漏流在凹槽壓力側(cè)形成從葉頂前緣伸向葉頂尾緣的壓力側(cè)角渦和刮削渦,泄漏流從壓力側(cè)角渦和刮削渦之間通過;在葉頂60%軸向弦長下游部分,由于刮削渦逐漸偏離到吸力側(cè)肩壁,凹槽內(nèi)逐漸由壓力側(cè)角渦主導(dǎo)流動,泄漏流從凹槽上方直接流過葉頂間隙,不再流入凹槽內(nèi)部。3種凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)中,泄漏流從壓力側(cè)角渦和刮削渦之間通過,但壓力側(cè)角渦、刮削渦的強(qiáng)度和位置產(chǎn)生了變化,影響凹槽內(nèi)流動形態(tài)。相比于凹槽狀葉頂結(jié)構(gòu)1,葉頂結(jié)構(gòu)2的壓力側(cè)凹槽內(nèi)部形成從凹槽前緣流向凹槽尾緣的壓力側(cè)凹槽渦,該渦在壓力側(cè)凹槽內(nèi)產(chǎn)生堵塞作用,阻止泄漏流進(jìn)入壓力側(cè)凹槽;泄漏流在掠過壓力側(cè)凹槽上方間隙后流入中間凹槽,壓力側(cè)角渦強(qiáng)度減小,刮削渦起始位置遠(yuǎn)離葉片前緣。在葉頂結(jié)構(gòu)3中,由于吸力側(cè)凹槽的影響,壓力側(cè)角渦強(qiáng)度進(jìn)一步減弱,刮削渦更加靠近壓力側(cè)肩壁并最后從靠近凹槽尾緣位置流出凹槽。吸力側(cè)凹槽內(nèi)流體主要由兩部分組成:從前緣位置直接流入凹槽形成吸力側(cè)凹槽渦;從中間凹槽流出的泄漏流。這兩部分流體在凹槽50%軸向弦長下游位置處相互作用,并形成與中間凹槽相似的迷宮密封流動結(jié)構(gòu)。葉頂結(jié)構(gòu)4的葉頂流動特征兼具結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3的特點(diǎn),刮削渦在靠近壓力側(cè)肩壁的同時起始位置遠(yuǎn)離葉片前緣,壓力側(cè)角渦的強(qiáng)度減弱。

(b)壓力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)2)

(c)吸力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)3)

(d)壓力側(cè)和吸力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)4)圖6 4種凹槽狀葉頂間隙泄漏流

凹槽狀葉頂結(jié)構(gòu)1的間隙泄漏渦系結(jié)構(gòu)和典型截面二維流動圖譜如圖7所示,渦系結(jié)構(gòu)采用Q判據(jù)進(jìn)行繪制。凹槽狀葉頂間隙的流動結(jié)構(gòu)主要由壓力側(cè)角渦和刮削渦主導(dǎo),壓力側(cè)角渦的強(qiáng)度強(qiáng)于刮削渦。在Ⅰ區(qū)域截面,壓力側(cè)角渦和吸力側(cè)角渦主導(dǎo)流動特征,刮削渦的影響基本可以忽略,泄漏流從葉頂肩壁的兩側(cè)流入凹槽內(nèi)并沖擊凹槽底部產(chǎn)生高傳熱區(qū);在Ⅱ區(qū)域截面,葉頂間隙內(nèi)刮削渦逐漸發(fā)展,葉頂泄漏流在壓力側(cè)角渦、刮削渦和吸力側(cè)角渦的共同作用下流動軌跡呈S狀,并沖擊到凹槽底部形成高傳熱系數(shù)條紋;在Ⅲ區(qū)域截面,壓力側(cè)角渦逐漸成為凹槽內(nèi)的主要渦系結(jié)構(gòu),刮削渦逐漸偏離出凹槽并移動到吸力側(cè)肩壁上方,只有少量泄漏流進(jìn)入凹槽,凹槽底部沒有高換熱系數(shù)區(qū)形成;在Ⅳ區(qū)域截面,壓力側(cè)角渦完全主導(dǎo)葉頂間隙的流動,泄漏流直接從凹槽上方流過葉頂區(qū)域,不再流入凹槽內(nèi)部。

(a)無小翼結(jié)構(gòu)凹槽狀葉頂間隙渦系結(jié)構(gòu)

(b)間隙二維流動圖譜圖7 無小翼結(jié)構(gòu)的凹槽狀葉頂結(jié)構(gòu)1間隙渦系結(jié)構(gòu)和典型截面的二維流動圖譜

(a)結(jié)構(gòu)2渦系結(jié)構(gòu)

(b)結(jié)構(gòu)2二維流動圖譜

(c)結(jié)構(gòu)3渦系結(jié)構(gòu)

(d)結(jié)構(gòu)3二維流動圖譜

(e)結(jié)構(gòu)4渦系結(jié)構(gòu)

(f)結(jié)構(gòu)4二維流動圖譜圖8 3種凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)葉頂間隙渦系結(jié)構(gòu)和典型截面的二維流動圖譜

3種凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)葉頂間隙渦系結(jié)構(gòu)和典型截面二維流動圖譜如圖8所示,再附線附近的高傳熱區(qū)系數(shù)強(qiáng)弱主要取決于壓力側(cè)角渦強(qiáng)度,起始位置主要取決于刮削渦。相比于凹槽狀葉頂結(jié)構(gòu)1,葉頂結(jié)構(gòu)2的刮削渦起始位置遠(yuǎn)離葉片前緣,吸力側(cè)角渦擴(kuò)大,區(qū)域Ⅰ擴(kuò)大;在Ⅱ區(qū)域截面,壓力側(cè)角渦的馬赫數(shù)減小,凹槽底面伴隨再附線產(chǎn)生的高傳熱系數(shù)條紋強(qiáng)度隨之降低;區(qū)域Ⅲ、Ⅳ的位置和范圍基本沒有變化。對于葉頂結(jié)構(gòu)3,由于吸力側(cè)凹槽內(nèi)吸力側(cè)凹槽渦的形成,吸力側(cè)角渦的發(fā)展受到抑制,進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域Ⅰ減小;在Ⅱ區(qū)域截面,壓力側(cè)角渦的馬赫數(shù)相比結(jié)構(gòu)2更低,凹槽底部的高傳熱系數(shù)條紋強(qiáng)度更低;區(qū)域Ⅱ在葉頂尾緣方向范圍擴(kuò)大,區(qū)域Ⅲ、Ⅳ的范圍被壓縮。對于葉頂結(jié)構(gòu)4,受到壓力側(cè)、吸力側(cè)兩側(cè)凹槽狀小翼的共同影響,葉頂流動特征集合結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3的特點(diǎn),區(qū)域Ⅰ的范圍與結(jié)構(gòu)2類似,相比結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)3有所增加;區(qū)域Ⅱ的范圍與結(jié)構(gòu)3類似,在葉頂尾緣方向擴(kuò)大;在區(qū)域Ⅱ內(nèi),壓力側(cè)角渦的馬赫數(shù)相比結(jié)構(gòu)1、2、3更低,降低了凹槽底面的高傳熱系數(shù)條紋區(qū)域。

3.3 氣動性能

采用葉柵通道總壓損失系數(shù)來表征葉頂?shù)臍鈩有阅?總壓損失系數(shù)為

(2)

式中:Pt,1為動葉進(jìn)口的面積平均相對總壓;Pt為當(dāng)?shù)氐南鄬倝?ρ為當(dāng)?shù)亓黧w密度;V為旋轉(zhuǎn)域內(nèi)的平均速度。

(a)無小翼結(jié)構(gòu)的凹槽狀葉頂結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)1)

(b)壓力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)2)

(c)吸力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)3)

(d)壓力側(cè)和吸力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)4)圖9 吸力側(cè)葉柵流道內(nèi)總壓損失系數(shù)等值線云圖

凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)葉頂吸力側(cè)葉柵流道總壓損失系數(shù)等值線云圖如圖9所示。對葉頂結(jié)構(gòu)1、2,高總壓損失系數(shù)區(qū)域主要分為兩個部分:第1個區(qū)域位于60%～80%葉高位置,由葉片通道渦產(chǎn)生;第2個區(qū)域位于80%～100%葉高位置,由葉頂?shù)男孤u產(chǎn)生。對葉頂結(jié)構(gòu)3、4,由于吸力側(cè)凹槽狀小翼的影響,流道內(nèi)只有一處高總壓損失系數(shù)區(qū)域,位于吸力側(cè)小翼的下方,由葉頂?shù)男孤u產(chǎn)生。吸力側(cè)葉柵通道渦強(qiáng)度大大減弱,和泄漏渦摻混在一起,與文獻(xiàn)[13-14]得到的結(jié)論一致。

在4種葉頂結(jié)構(gòu)中,吸力側(cè)的泄漏渦均明顯存在且位置基本相似:靠近葉片吸力面,與機(jī)匣保持平行,在葉高方向沒有位移。4種葉頂結(jié)構(gòu)通道渦的位置和強(qiáng)度具有較大變化:在葉頂結(jié)構(gòu)1、2中,由于沒有吸力側(cè)小翼的影響,流體從間隙分離并形成通道渦,在向下游的流動過程中逐漸向葉根方向移動;在葉頂結(jié)構(gòu)3、4中,由于吸力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)的影響,泄漏渦的位置與葉片吸力面之間存在一定距離,當(dāng)流體從間隙分離時,會受到泄漏渦卷吸作用,流道內(nèi)的通道渦并不明顯。

為定量分析4種凹槽狀小翼葉頂結(jié)構(gòu)的氣動性能,在動葉尾緣下游10%軸向弦長位置給出截面總壓損失系數(shù)等值線云圖和葉頂間隙泄漏流三維流線,如圖10所示。對于葉頂結(jié)構(gòu)1、2,葉頂泄漏渦引起的氣動損失小于通道渦引起的氣動損失,在葉頂結(jié)構(gòu)2中,部分泄漏流直接從動葉尾緣處流出,增加了泄漏渦產(chǎn)生的氣動損失;對于葉頂結(jié)構(gòu)3、4,其通道渦和泄漏渦相互摻混,總壓損失要小于葉頂結(jié)構(gòu)1、2的。

(a)結(jié)構(gòu)1 (b)結(jié)構(gòu)2

(c)結(jié)構(gòu)3 (d)結(jié)構(gòu)4圖10 4種凹槽狀葉頂結(jié)構(gòu)的葉柵出口截面總壓損失系數(shù)等值線云圖和葉頂間隙泄漏流線

圖11 4種凹槽狀葉頂結(jié)構(gòu)葉柵平均總壓損失系數(shù)沿葉高的分布

圖12 4種凹槽狀葉頂結(jié)構(gòu)葉柵平均總壓損失系數(shù)比較

4 結(jié) 論

采用數(shù)值方法研究了壓力側(cè)、吸力側(cè)和兩側(cè)凹槽狀小翼葉頂結(jié)構(gòu)對其傳熱特性和葉柵流道總壓損失的影響,得到如下結(jié)論。

(1)壓力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)2、吸力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)3和兩側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)4的葉頂表面平均傳熱系數(shù),相比于無小翼凹槽狀葉頂結(jié)構(gòu)1的平均傳熱系數(shù)分別降低12.2%、17.1%、19.8%;在葉頂?shù)膬蓚?cè)均設(shè)置凹槽小翼能最大程度降低葉頂?shù)臒嶝?fù)荷。

(2)在葉頂凹槽內(nèi)壓力側(cè)角渦和刮削渦的作用下,泄漏流在凹槽內(nèi)呈S形流動,在凹槽底面沖擊形成高傳熱系數(shù)條紋;在葉頂兩側(cè)設(shè)置凹槽小翼時,泄漏流的流速降低,壓力側(cè)角渦和刮削渦的強(qiáng)度減弱,從而降低了凹槽底面的傳熱系數(shù)。

(3)對比葉頂結(jié)構(gòu)1,壓力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)2的平均總壓損失系數(shù)增加8.5%,吸力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)3和兩側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)4的平均總壓損失系數(shù)分別減少8.5%、2.5%;吸力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)3能有效減少氣動損失。綜合葉頂傳熱特性和葉柵流道總壓損失,吸力側(cè)凹槽狀小翼結(jié)構(gòu)具有最佳的氣熱性能。