橢球形輪轂端蓋對(duì)透平排氣擴(kuò)散器性能的影響

吳晨飛， 余 銳， 趙連會(huì)

(上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司 燃?xì)廨啓C(jī)研究所，上海 200240)

排氣擴(kuò)散器連接在透平末級(jí)葉片后，主要作用是把來(lái)自透平的氣體進(jìn)行減速擴(kuò)壓，將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，以提高透平的輸出功率，然后根據(jù)循環(huán)形式的不同，排入大氣或送入余熱鍋爐[1]。作為透平的重要組成部分，排氣擴(kuò)散器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如支板、輪轂和油管等，在排氣通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的流動(dòng)損失，從而降低透平的輸出功率和效率[2-5]。Farokhi等[6]指出排氣擴(kuò)散器的靜壓恢復(fù)系數(shù)提升0.2，燃?xì)廨啓C(jī)的效率可以提高0.4%。林軍等[7]指出WP6G工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)排氣裝置總壓損失減少1 kPa，燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率可以提升1%，輸出功率可增加60 kW,熱效率可以提高1.2%。因此，減少排氣擴(kuò)散器的流動(dòng)損失對(duì)透平整體性能有著至關(guān)重要的影響。

由于排氣擴(kuò)散器對(duì)透平的性能有著非常大的影響，學(xué)者們對(duì)排氣擴(kuò)散器的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究。其中，支板作為排氣擴(kuò)散器的重要組成部分，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化研究，并取得了良好的優(yōu)化效果[8-12]。Pradeep等[13]對(duì)排氣擴(kuò)散器的流道型線進(jìn)行優(yōu)化研究，優(yōu)化后的靜壓恢復(fù)系數(shù)相比原型有所增加，總壓損失系數(shù)相比原型也有大幅的降低。林軍等[7]對(duì)流道帶中間收斂的排氣擴(kuò)散器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明改型排氣擴(kuò)散器的性能有顯著的提升。Babu等[14]提出了兩種結(jié)構(gòu)的輪轂優(yōu)化改型，與原型相比排氣擴(kuò)散器的出口靜壓都有一定程度增加，總壓損失也都有所減小。

為了減小排氣擴(kuò)散器的總壓損失，提升透平的效率，本文利用一種橢球形輪轂端蓋結(jié)構(gòu)來(lái)抑制輪轂下游流動(dòng)分離的形成，以達(dá)到減小排氣擴(kuò)散器的總壓損失和提升透平效率的目的。文章主要探究了橢球形輪轂端蓋的軸向長(zhǎng)度對(duì)排氣擴(kuò)散器性能的影響，并對(duì)改型排氣擴(kuò)散器的變工況特性進(jìn)行分析。

1 計(jì)算模型

1.1 相關(guān)參數(shù)

在相關(guān)研究中，通常采用總壓損失系數(shù)ω和靜壓恢復(fù)系數(shù)C這兩個(gè)參數(shù)對(duì)排氣擴(kuò)散器的工作性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，定義見(jiàn)式(1)和式(2)：

(1)

(2)

總壓損失δ為進(jìn)出口總壓變化與進(jìn)口總壓的相對(duì)值，定義見(jiàn)式(3)：

(3)

式中：P01為進(jìn)口總壓，Pa；P02為出口總壓，Pa；P1為進(jìn)口靜壓，Pa；P2為出口靜壓，Pa。

1.2 模型結(jié)構(gòu)

排氣擴(kuò)散器的模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要由軸承座和排氣擴(kuò)散段兩部分組成，通過(guò)其擴(kuò)張形成的流道結(jié)構(gòu)對(duì)氣體進(jìn)行減速擴(kuò)壓。

(a) 整體結(jié)構(gòu)

1.3 計(jì)算方法

數(shù)值計(jì)算方法是研究排氣擴(kuò)散器流場(chǎng)及其特性的常用手段之一。由于本文的研究對(duì)象具有非軸對(duì)稱性，為了描述流體域中周向上的非均勻流動(dòng)情況，采用整體的排氣擴(kuò)散器模型進(jìn)行建模。排氣擴(kuò)散器對(duì)上游來(lái)流即透平末級(jí)出口流場(chǎng)分布十分敏感，因此需要與透平末級(jí)一起進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算分析。此外，由于流場(chǎng)中存在不穩(wěn)定的分離區(qū)，計(jì)算域還需從實(shí)際擴(kuò)散器出口位置沿軸向延伸出一段區(qū)域，以保證流場(chǎng)計(jì)算能達(dá)到穩(wěn)定的收斂解。末級(jí)葉片、排氣擴(kuò)散器與虛擬延伸段構(gòu)成的聯(lián)合計(jì)算域見(jiàn)圖2。

圖2 聯(lián)合計(jì)算域示意圖

透平末級(jí)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，排氣擴(kuò)散器和虛擬延伸段采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總網(wǎng)格量約為400萬(wàn)。為了能更好地捕捉流場(chǎng)的變化，葉片表面和排氣擴(kuò)散器各部分壁面的邊界層網(wǎng)格都進(jìn)行了加密處理。由于擴(kuò)散器尺寸較大，因此需要對(duì)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，對(duì)進(jìn)口和輪轂附近進(jìn)行精細(xì)的網(wǎng)格劃分，越接近出口，排氣擴(kuò)散器主流區(qū)域網(wǎng)格的密度越稀疏，這樣就可以在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象的前提下，有效地控制計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省計(jì)算資源。透平末級(jí)和排氣擴(kuò)散器局部網(wǎng)格見(jiàn)圖3。

圖3 透平末級(jí)和排氣擴(kuò)散器局部網(wǎng)格

數(shù)值計(jì)算的湍流模型為k-ωSST，動(dòng)靜葉之間的交界面采用混合平面法。計(jì)算域進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口，為透平第四級(jí)靜葉進(jìn)口的壓力、溫度和速度分布；出口設(shè)置為壓力出口。

2 改型方案

圖4為設(shè)計(jì)工況(OP1)下原型排氣擴(kuò)散器的流線圖。通過(guò)對(duì)原型OP1工況的流場(chǎng)進(jìn)行分析可以看出，當(dāng)氣流通過(guò)輪轂后，流動(dòng)面積突然增大，由于逆壓梯度的存在，在輪轂的下游產(chǎn)生了較大的分離區(qū)，這將增大氣體在流動(dòng)中的損失，從而降低排氣擴(kuò)散器的工作性能，進(jìn)而影響透平的輸出功率和效率。

圖4 設(shè)計(jì)工況下原型排氣擴(kuò)散器子午面流線圖

為了抑制輪轂下游流動(dòng)分離的形成，本文設(shè)計(jì)了一種橢球形輪轂端蓋，見(jiàn)圖5，D為輪轂的直徑，L為橢球形輪轂端蓋的軸向長(zhǎng)度。通過(guò)改變L的長(zhǎng)度，制定了若干方案，見(jiàn)表1，探究橢球形輪轂端蓋對(duì)排氣擴(kuò)散器性能的影響。同時(shí)考慮到實(shí)際工程應(yīng)用、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安裝維修的需求，限定L最長(zhǎng)為D的1倍。

圖5 原型和改型排氣擴(kuò)散器輪轂端蓋結(jié)構(gòu)

表1 排氣擴(kuò)散器改型方案

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 橢球形輪轂端蓋軸向長(zhǎng)度對(duì)排氣擴(kuò)散器性能影響分析

為了探究橢球形輪轂端蓋的軸向長(zhǎng)度L對(duì)排氣擴(kuò)散器性能的影響，在OP1工況下，計(jì)算得到改型排氣擴(kuò)散器的主要性能參數(shù)與原型進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)改型排氣擴(kuò)散器的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析。

圖6和圖7為原型和改型排氣擴(kuò)散器不同軸向位置的ω和C值。 其中，x為不同軸向位置的長(zhǎng)度，LD為排氣擴(kuò)散器的軸向長(zhǎng)度?？梢钥闯?，改型排氣擴(kuò)散器的性能與原型相比均有不同程度的改善，且隨著橢球形端蓋軸向長(zhǎng)度L的增加，改善效果越好。其中C3和C4方案的改善效果較為顯著，C4方案的改善效果最為顯著，排氣擴(kuò)散器整體的總壓損失系數(shù)ω由 0.146 1 下降到 0.130 4，相對(duì)改善了10.75%，整體靜壓恢復(fù)系數(shù)C由0.821 1上升到0.839，增加了2.18%。

圖6 原型和改型總壓損失系數(shù)ω隨排氣擴(kuò)散器軸向位置的變化

圖7 原型和改型靜壓恢復(fù)系數(shù)C隨排氣擴(kuò)散器軸向位置的變化

如圖8(a)中排氣擴(kuò)散器原型所示，氣流首先在支板的位置處產(chǎn)生了較小的流動(dòng)分離區(qū)，當(dāng)氣流離開(kāi)支板后，則在輪轂下游處形成了一個(gè)較大的分離區(qū)，會(huì)增加排氣擴(kuò)散器的流動(dòng)損失，嚴(yán)重影響排氣擴(kuò)散器的性能。通過(guò)觀察圖8中四種改型方案輪轂下游區(qū)域分離情況發(fā)現(xiàn)：C1方案中，輪轂下游分離區(qū)沒(méi)有明顯變化，但是隨著橢球形輪轂端蓋軸向長(zhǎng)度的增大，C2、C3和C4方案中輪轂下游的分離區(qū)明顯減小。

(a) C0

圖9為改型排氣擴(kuò)散器子午面軸向流線圖，其中，V表示截面上不同位置處流體的速度，Vmax表示該截面上流體的最大速度。在設(shè)計(jì)工況下，C2、C3和C4方案與原型圖4相比，原來(lái)回流區(qū)的流體可以沿橢球形輪轂端蓋貼壁流動(dòng)，并且使排氣擴(kuò)散器下游流場(chǎng)更加穩(wěn)定。C1方案雖然對(duì)輪轂下游回流區(qū)的改善相比其他改型較差，仍然存在較大的回流區(qū)，但是與原型相比，輪轂下游的流場(chǎng)也得到了一定的改善。

3.2 改型排氣擴(kuò)散器的變工況特性分析

在評(píng)價(jià)透平的性能時(shí)，不僅要考慮設(shè)計(jì)工況下透平的性能指標(biāo)，同時(shí)要考慮在變工況時(shí)透平的性能參數(shù)，因此需要對(duì)改型排氣擴(kuò)散器的變工況特性進(jìn)行分析。綜合對(duì)改型排氣擴(kuò)散器主要性能參數(shù)進(jìn)行分析，可以看出在設(shè)計(jì)工況下，C3和C4改型方案的改善效果較為顯著，同時(shí)考慮到橢球形輪轂端蓋軸向長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加制造、安裝和維修的難度，下面主要對(duì)軸向長(zhǎng)度較短的C3改型方案在夏季工況(OP2)、冬季工況(OP3)、最小環(huán)保負(fù)荷(OP4)和全速空載(OP5)下的特性進(jìn)行分析。

由圖10可以看出：在OP2工況時(shí)，改型C3的總壓損失和原型相接近；在OP4工況時(shí)，改型C3的總壓損失略高于原型；在OP1、OP3和OP5工況時(shí)，改型C3的總壓損失則低于原型?？傮w來(lái)說(shuō)，在OP4和OP5小流量工況下，無(wú)論是原型還是改型，總壓損失相對(duì)較大；在OP1、OP2和OP3工況附近時(shí)總壓損失相對(duì)較小。同時(shí)，改型C3在OP1和OP3工況對(duì)排氣擴(kuò)散的性能改善效果明顯。

圖10 不同工況下原型和改型排氣擴(kuò)散器總壓損失

從圖11和圖12可以看出，在OP5和OP4工況下，改型C3與原型排氣擴(kuò)散器的輪轂下游都存在較大的回流區(qū)，這與圖10中OP5和OP4工況總壓損失較大的結(jié)論一致。由圖11可已看出，在OP5工況下，改型C3輪轂下游的分離區(qū)相比原型有一定程度的減小，且在壁面形成的附壁分離區(qū)的大小也有所減小，使得改型C3的總壓損失小于原型。由圖12可已看出，在OP4工況下，改型C3輪轂下游流場(chǎng)仍有較大的分離流動(dòng)，并未起到改善作用。

圖11 OP5工況排氣擴(kuò)散器子午面流線圖

圖12 OP4工況排氣擴(kuò)散器子午面流線圖

從圖13中可以看出，雖然改型排氣擴(kuò)散器在OP2工況下輪轂下游流場(chǎng)得到了改善，分離區(qū)明顯減小，但是與原型相比排氣擴(kuò)散器下游流場(chǎng)的波動(dòng)變大，出現(xiàn)了一定程度的惡化，這也使得改型排氣擴(kuò)散器在OP2工況下的總壓損失與原型接近。由圖14可以看出，改型排氣擴(kuò)散器在OP3工況下，輪轂下游流場(chǎng)得到了改善，分離區(qū)明顯減小，同時(shí)對(duì)排氣擴(kuò)散器流場(chǎng)下游流場(chǎng)也有一定程度的改善，流動(dòng)不穩(wěn)定區(qū)域減小，也就使得改型排氣擴(kuò)散器的總壓損失相比原型有所減小。

圖13 OP2工況排氣擴(kuò)散器子午面流線圖

圖14 OP3工況排氣擴(kuò)散器子午面流線圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法，探究橢球形輪轂端蓋的軸向長(zhǎng)度對(duì)排氣擴(kuò)散器性能的影響，并對(duì)改型排氣擴(kuò)散器的變工況特性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1) 一定軸向長(zhǎng)度的橢球形輪轂端蓋結(jié)構(gòu)能有效的抑制輪轂下游流動(dòng)分離的形成，減小排氣擴(kuò)散器的總壓損失，提升排氣擴(kuò)散器的總體性能。

(2) 在探究的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，當(dāng)橢球形輪轂端蓋軸向長(zhǎng)度L與輪轂直徑D之比為1時(shí)，改型排氣擴(kuò)散器的改善效果最為顯著，總壓損失系數(shù)相比原型減少約10.75%，靜壓恢復(fù)系數(shù)相比原型增加約2.18%。

(3) 在不同工況下,改型排氣擴(kuò)散器C3與原型的總壓損失變化整體趨勢(shì)一致，且在設(shè)計(jì)工況和流量相對(duì)較大的工況下取得了較好的改善效果，對(duì)透平機(jī)組在大流量方向升級(jí)時(shí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。