小流量工況下汽輪機(jī)末級(jí)定常流動(dòng)特性數(shù)值研究

徐 鵬 ， 胡 輝

（1.海軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局駐大連地區(qū)第一軍事代表室，遼寧 大連 116000；2.中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海 200031）

0 前言

汽輪機(jī)末級(jí)在小容積流量工況下，葉柵中存在二次流損失和葉型損失。通道內(nèi)產(chǎn)生的分離渦、回流渦和動(dòng)靜間隙渦使末級(jí)葉片存在鼓風(fēng)、水蝕、葉片震顫等問(wèn)題[1]，同時(shí)，氣動(dòng)力作用在葉片表面的不均性導(dǎo)致葉片承受較大彎曲扭矩和扭轉(zhuǎn)力矩，產(chǎn)生葉片損傷，降低葉片壽命。

有研究表明：在低相對(duì)流量下，末級(jí)動(dòng)葉頂部壓力面的近前緣區(qū)域發(fā)生流動(dòng)分離，隨著流量的進(jìn)一步減小，在通道內(nèi)出現(xiàn)通道渦、尾跡渦，流動(dòng)分離向葉根發(fā)展[2]。較小的汽流速度所產(chǎn)生的離心力不足以抵消內(nèi)弧到背弧產(chǎn)生的壓力差，產(chǎn)生了汽流的橫向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，上下端壁上的橫向來(lái)流與葉柵背弧附面層相匯合，造成附面層的脫離進(jìn)而形成通道渦[3]。通道渦下游還有壁角渦、脫落渦等形成帶狀尾跡區(qū)域，即尾跡渦。汽流在靜葉柵根部流道內(nèi)急劇膨脹，出口流速達(dá)到超音速狀態(tài)時(shí)，在葉片尾緣產(chǎn)生強(qiáng)烈激波，而動(dòng)葉前緣受到靜葉尾緣激波的影響產(chǎn)生非定常壓力場(chǎng)，引起壓力脈動(dòng)。汽流穿過(guò)激波層后，馬赫數(shù)驟降低，產(chǎn)生較大的能量損失。合適的汽流沖擊葉片角度可以減少正激波，降低渦系強(qiáng)度[4]。

隨著計(jì)算流體技術(shù)的發(fā)展，利用CFD技術(shù)可以獲得更加細(xì)致的溫度、壓力、流動(dòng)特性。本研究采用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX對(duì)某型汽輪機(jī)低壓缸末級(jí)級(jí)內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行三維定常模擬，通過(guò)分析平衡態(tài)下不同流量工況下的流動(dòng)特性，研究流道內(nèi)流線、壓力分布、流動(dòng)分離和渦系結(jié)構(gòu)[1-4]。

1 模型和數(shù)值方法

1.1 物理模型

本研究以某汽輪機(jī)低壓缸末級(jí)為研究對(duì)象，該汽輪機(jī)包含60靜葉片，60動(dòng)葉片。三維模型由TurboGrid提供，全局采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，壁面Y+<2。級(jí)內(nèi)聯(lián)通采用正交化網(wǎng)格，計(jì)算模型如圖1、圖2所示。

圖1 物理模型

圖2 三維計(jì)算網(wǎng)格

1.2 數(shù)值方法和邊界條件

本研究采用CFX中求解RANS方程組為SST k-ω湍流模型。工質(zhì)選擇真實(shí)濕蒸氣模型IAPWS-IF97標(biāo)準(zhǔn)steam3vl水蒸氣模型，額定工況下邊界條件采用進(jìn)口壓力為24.86 kPa，出口壓力為5 kPa。小容積流量條件下則給定背壓5 kPa，進(jìn)口為質(zhì)量流量入口邊界條件。小容積流量下給定單通道質(zhì)量流量分別為1.2 kg/s、1 kg/s、0.6 kg/s、0.3 kg/s、0.15 kg/s。

5種小容積流量情況下具體參數(shù)如表1所示。

表1 5種小流量工況進(jìn)出口參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 流線分析

各工況下通道內(nèi)流動(dòng)情況如圖3所示，100%相對(duì)流量下，汽流平穩(wěn)流過(guò)葉片，隨著相對(duì)流量減少，首先在葉根處出現(xiàn)非穩(wěn)定流動(dòng)，如圖3（b）所示。在60%相對(duì)流量下，如圖3（c）所示，葉根出現(xiàn)明顯的分離渦和流動(dòng)分離，葉根處流線出現(xiàn)明顯彎曲，汽流開始發(fā)生徑向流動(dòng)，向動(dòng)葉柵50%相對(duì)葉高流動(dòng)。

34%相對(duì)流量下，動(dòng)葉片近葉根尾緣不再能夠觀察到流線，葉根區(qū)域出現(xiàn)大范圍的渦流和葉片脫流現(xiàn)象，如圖3（d）所示。從動(dòng)靜間隙開始的流線向動(dòng)葉通道中上段富集，回流區(qū)域高度占據(jù)了60%相對(duì)葉高。隨著相對(duì)流量進(jìn)一步減小到17%相對(duì)流量，如圖3（e）所示，回流區(qū)域高度增加，達(dá)到了70%相對(duì)葉高，并且在動(dòng)葉葉頂，開始出現(xiàn)橫跨了動(dòng)靜間隙段和動(dòng)葉葉頂?shù)膭?dòng)靜間隙渦。在9%相對(duì)流量下，如圖3（f）所示，動(dòng)靜間隙渦明顯增大，渦核朝葉根方向移動(dòng)，在葉頂98%區(qū)域出現(xiàn)少量流線，并且該區(qū)域中汽流出現(xiàn)高速流動(dòng)現(xiàn)象。此時(shí)，回流區(qū)高度增大到90%相對(duì)葉高。存在于動(dòng)葉通道內(nèi)的不穩(wěn)定的流動(dòng)情況使汽輪機(jī)末級(jí)產(chǎn)生鼓風(fēng)發(fā)熱和長(zhǎng)葉片震顫。同時(shí)，進(jìn)入排汽缸中的濕蒸汽有可能在回流渦的作用下以回流形式重新流入通道內(nèi)，產(chǎn)生水蝕現(xiàn)象。

圖3 不同容積流量下通道內(nèi)三維流線圖

2.2 壓力分布和流動(dòng)狀態(tài)

各工況下相對(duì)高度的壓力分布如圖4所示，其中p0代表動(dòng)葉片進(jìn)口壓力，p1代表動(dòng)葉片出口壓力，從圖中可以看出，蒸氣在動(dòng)葉中的膨脹程度隨著葉高的增加而增加。在圖4（a）中，100%相對(duì)流量情況下，葉根處動(dòng)葉進(jìn)出口壓差最小，之后隨著葉高逐漸增大，動(dòng)葉前后不存在逆壓力區(qū)。隨著相對(duì)流量減小，動(dòng)葉前各相對(duì)高度下壓力逐漸減小。在72%相對(duì)流量和60%相對(duì)流量下，葉根處出現(xiàn)明顯的逆壓區(qū)，分布于15%葉高和22%葉高以下，如圖4（b）、圖4（c）所示，該位置的軸向逆壓力梯度導(dǎo)致動(dòng)葉出口產(chǎn)生回流，形成回流渦。圖4（d）中，動(dòng)葉前后壓力分布接近一致，因此，該流量下汽流動(dòng)能無(wú)法抵消末級(jí)離心力，開始出現(xiàn)大面積的徑向流動(dòng)。在圖4（e）、圖4（f）中，逆壓區(qū)擴(kuò)大至整個(gè)葉高，在葉頂高度處的逆壓區(qū)出現(xiàn)了動(dòng)靜間隙渦，從圖4（e）至圖4（f），逆壓梯度極大值由原本的90%相對(duì)葉高轉(zhuǎn)為75%相對(duì)葉高，這可以解釋動(dòng)葉間隙渦向葉根處移動(dòng)現(xiàn)象，而渦流范圍擴(kuò)大則與流量密切相關(guān)。

圖4 沿葉高方向的壓力分布

2.3 低相對(duì)高度下橫向流動(dòng)特性

9%相對(duì)流量下，5%相對(duì)高度的壓力分布和流線如圖5所示。在9%相對(duì)流量下的通道內(nèi)渦流不僅來(lái)源于動(dòng)葉進(jìn)出口的逆壓區(qū)，如圖4所示，還來(lái)源于由葉柵背弧與內(nèi)弧之間的橫向壓力差。在橫向壓力差作用下，葉柵中部處流線脫離背弧，向葉柵內(nèi)弧發(fā)展，并在軸向逆壓力梯度下形成渦流，該渦流范圍占據(jù)近一半的通道面積，對(duì)通道內(nèi)汽流軸向流動(dòng)產(chǎn)生干擾。在葉柵出口處的流線，則在橫向壓力梯度下形成明顯的二次流。

圖5 9%相對(duì)流量下，5%相對(duì)高度截面壓力分布及流線圖

除此之外，如圖6所示，9%相對(duì)流量下，在葉柵進(jìn)口處的汽流形成負(fù)沖角，汽流沖擊動(dòng)葉吸力面，導(dǎo)致動(dòng)葉前緣發(fā)生流動(dòng)分離形成渦流。由負(fù)沖角因素引起的附面層流動(dòng)分離產(chǎn)生的分離渦占據(jù)了低相對(duì)高度下大部分流動(dòng)區(qū)域。

圖6 不同流量下動(dòng)葉進(jìn)口汽流方位角

2.4 鼓風(fēng)工況

不同流量下轉(zhuǎn)矩變化情況如圖7所示，隨著流量減小，末級(jí)動(dòng)葉轉(zhuǎn)矩減小，在相對(duì)流量減小至17%時(shí)，轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，末級(jí)動(dòng)葉做負(fù)功，存在鼓風(fēng)工況。在17%~34%相對(duì)流量中間存在動(dòng)葉不做功的過(guò)渡工況。

圖7 不同工況下扭矩?cái)?shù)值

不同流量下末級(jí)內(nèi)功率如圖8所示，級(jí)的內(nèi)功率隨著流量減小而減小，在17%相對(duì)流量下，級(jí)的內(nèi)功率為負(fù)值。在鼓風(fēng)工況下，動(dòng)葉出口汽流焓值上升，形成負(fù)反動(dòng)度。

圖8 不同工況下內(nèi)功率

3 結(jié)論

本研究應(yīng)用CFX軟件獲得小容積流量工況下汽輪機(jī)末級(jí)通道內(nèi)流動(dòng)特性，分析小容積流量下渦流產(chǎn)生機(jī)理，并得到鼓風(fēng)工況下所對(duì)應(yīng)的相對(duì)流量。結(jié)論如下：

1）小容積流量工況下，通道內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)靜間隙渦、分離渦、回流渦。分離渦率先產(chǎn)生在動(dòng)葉壓力面前緣，回流渦產(chǎn)生在動(dòng)葉出口。隨著相對(duì)流量減小，回流渦逐漸由葉根向葉頂方向擴(kuò)散。在17%相對(duì)流量下出現(xiàn)動(dòng)靜間隙渦，并隨著相對(duì)流量減小，動(dòng)靜間隙渦范圍逐漸擴(kuò)大，渦核中心向葉根方向移動(dòng)。同時(shí)，在動(dòng)葉進(jìn)出口產(chǎn)生逆壓區(qū)的增強(qiáng)，產(chǎn)生更加復(fù)雜的回流渦。

2）17%和9%相對(duì)流量下的動(dòng)葉進(jìn)口汽流方位角與其余4種工況有明顯區(qū)別，該相對(duì)流量下，在葉根處會(huì)形成負(fù)沖角，在葉頂會(huì)由于動(dòng)靜間隙渦產(chǎn)生小進(jìn)口汽流方位角。由于負(fù)沖角引起動(dòng)葉前緣發(fā)生流動(dòng)分離，形成較為強(qiáng)烈的渦流。

3）末級(jí)動(dòng)葉轉(zhuǎn)矩和末級(jí)內(nèi)功率隨著相對(duì)流量降低而減小，當(dāng)相對(duì)流量為17%，已經(jīng)出現(xiàn)負(fù)扭矩和負(fù)內(nèi)功率，此時(shí)產(chǎn)生鼓風(fēng)工況。過(guò)渡工況應(yīng)在17%~34%相對(duì)流量之間。