前緣倒角對(duì)渦輪輪緣密封性能的影響

白濤, 楊青真, 施永強(qiáng), 陳玲玲, 解云琪, 李怡

(1.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院， 西安 710129； 2.西安航空學(xué)院飛行器學(xué)院， 西安 710077)

提高渦輪前燃?xì)鉁囟仁翘岣邷u輪輸出功率，減輕渦輪部件重量的重要手段。然而高溫燃?xì)馐沟脺u輪的工作環(huán)境更加惡劣，尤其是對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的渦輪輪盤結(jié)構(gòu)。通過從壓氣機(jī)引出氣體進(jìn)入渦輪盤腔可以起到冷卻盤腔，同時(shí)阻止主流高溫燃?xì)馊肭直P腔的作用。關(guān)于渦輪盤腔封嚴(yán)機(jī)理，封嚴(yán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了大量的工作[1-4]。

隨著對(duì)流場(chǎng)研究的精細(xì)化發(fā)展，近年來更多的關(guān)注點(diǎn)放在了端壁造型,葉片設(shè)計(jì)等對(duì)于輪緣密封及渦輪氣動(dòng)性能的影響上。Ong等[5]、Jenny等[6]的研究表明：非軸對(duì)稱端壁對(duì)于渦輪盤腔封嚴(yán)冷氣出流和端壁效應(yīng)相互作用的二次流結(jié)構(gòu)具有一定的改善作用，通過合理的端壁設(shè)計(jì)可以提升渦輪氣動(dòng)效率。此外，當(dāng)采用不同的端壁造型方法時(shí)，渦輪效率對(duì)封嚴(yán)氣流的敏感性不同。Turgut等[7]的研究表明，在出流冷氣的上游，通過調(diào)整端壁造型可以降低渦輪氣動(dòng)損失。Reginal等[8]在具有端壁造型的渦輪級(jí)上采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量方法評(píng)估渦輪氣動(dòng)性能。測(cè)量結(jié)果表明端壁造型使得氣動(dòng)效率提高0.2%，但是隨著冷氣出流的影響，這種正向作用逐漸消失。Rose等[9]提出在今后的研究中，應(yīng)當(dāng)關(guān)注非軸對(duì)稱端壁和前緣倒角對(duì)端壁二次流的作用機(jī)制，通過合理的設(shè)計(jì)非軸對(duì)稱端壁設(shè)計(jì)來降低渦輪氣動(dòng)損失。Shahper等[10]、Schreiner等[11]基于封嚴(yán)冷氣出流對(duì)主流的干涉機(jī)理，設(shè)計(jì)了非軸對(duì)稱端壁。研究表明非軸對(duì)稱端壁在一定程度上抑制了封嚴(yán)冷氣出流與主流的干涉作用，增大渦輪級(jí)效率增大。中國(guó)魏佐君等[12]設(shè)計(jì)了水滴狀的葉片前緣結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明最佳設(shè)計(jì)方案下的前緣形狀可以使得渦輪葉柵損失減小5.1%。程舒嫻等[13]研究了前緣造型對(duì)于封嚴(yán)效率和渦輪氣動(dòng)效率的影響，研究結(jié)果表明凸壁前緣可以抑制通道渦強(qiáng)度；凹壁前緣可以提高輪緣密封效率。何振鵬等[14]的研究表明轉(zhuǎn)子前緣附近上凸的端壁造型會(huì)加劇燃?xì)馊肭趾屠錃獬隽鞒潭?；端壁造型改變主流橫向壓力梯度和二次流的徑向位置，從而使端區(qū)二次流損失降低。李智梅等[15]的研究表明前緣倒角可以削弱前緣附近切應(yīng)力、氣流偏轉(zhuǎn)角以及馬蹄渦強(qiáng)度，起到了改善渦輪氣動(dòng)效率和換熱性能的作用。

在實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)中，由于葉片加工需要，渦輪葉片與端壁交界處方存在倒角結(jié)構(gòu)。目前大多數(shù)的研究集中在通過端壁、葉片造型來改善渦輪端區(qū)流動(dòng)這一領(lǐng)域，關(guān)于端壁造型對(duì)于輪緣封嚴(yán)效果則揭示較少，為此有必要從燃?xì)馊肭?、封?yán)冷氣出流角度全面分析端壁造型、倒角結(jié)構(gòu)對(duì)于渦輪輪緣密封性能的影響。在不同封嚴(yán)流量下，詳細(xì)分析轉(zhuǎn)子前緣倒角結(jié)構(gòu)對(duì)于渦輪主流氣動(dòng)性能及盤腔封嚴(yán)性能的影響規(guī)律，旨在為控制燃?xì)馊肭?，降低渦輪損失的端壁設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 計(jì)算模型與計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

研究對(duì)象選自瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院1.5級(jí)渦輪的第一級(jí)導(dǎo)向器和轉(zhuǎn)子。渦輪幾何主要參數(shù)如表1所示，封嚴(yán)腔體位于導(dǎo)向器和轉(zhuǎn)子交界面上游，分別計(jì)算原型(不帶倒角)和有倒角兩種工況，記為Turbo和Turbo_fillet。根據(jù)轉(zhuǎn)靜之間的距離以及盤腔位置，前緣倒角設(shè)置為4 cm。封嚴(yán)結(jié)構(gòu)及前緣倒角結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 LISA葉型主要幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of LISA blade profil

圖1 封嚴(yán)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子前緣倒角Fig.1 Sealing structure and rotor leading edge fillet

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

計(jì)算域包括1個(gè)靜子通道和1個(gè)轉(zhuǎn)子通道。盤腔以及主流通道整體在Autogrid5中繪制結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。保證盤腔間隙處的網(wǎng)格在軸向和周向完全匹配，避免數(shù)值傳遞造成的誤差。盤腔設(shè)置在靜子域。網(wǎng)格總數(shù)為240萬，靜子、轉(zhuǎn)子域分別為100萬、140萬。所有壁面處網(wǎng)格都進(jìn)行了加密處理，近壁處Y+小于1，網(wǎng)格擴(kuò)張比小于2，滿足所選湍流模型的計(jì)算要求。盤腔和葉片前緣處網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Grid for numerical calculation

數(shù)值模擬選用SST(shear stress transport)湍流模型，γ-θ(gamma theta model)轉(zhuǎn)捩模型；進(jìn)口給定總溫(328 K)、總壓(140 kPa)邊界條件；出口給定徑向分布的靜壓邊界條件；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 700 r/min；盤腔進(jìn)口給定流量邊界條件；無量綱封嚴(yán)流量(injection ratio, IR)定義為封嚴(yán)冷氣進(jìn)口流量與渦輪主流進(jìn)口流量的比值。文中IR分別設(shè)置為：0.5%、0.9%、1.3%。為區(qū)分盤腔封嚴(yán)氣體與主流氣體，工質(zhì)設(shè)置為CO2(示蹤氣體)和理想空氣的混合氣，其中主流進(jìn)口CO2濃度為0，盤腔進(jìn)口CO2濃度為1。計(jì)算模型幾何和邊界條件詳細(xì)參數(shù)參見文獻(xiàn)[16]。為節(jié)省計(jì)算資源，采用定常數(shù)值計(jì)算。

1.3 數(shù)值方法驗(yàn)證

為確保定常計(jì)算的可靠性，在進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證時(shí)，同時(shí)采用了定常和非定常計(jì)算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。圖3為靜子和轉(zhuǎn)子出口氣流角的數(shù)值計(jì)算結(jié)果(定常、非定常)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比，具體對(duì)比數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[16]。定常和非定常數(shù)值結(jié)果得到的靜子和轉(zhuǎn)子出口氣流角沿葉高的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。轉(zhuǎn)子出口氣流角在70%葉高以下，數(shù)值計(jì)算結(jié)果(定常和非定常)均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，在70%葉高以上，三者出現(xiàn)了差異，相比定常結(jié)果，非定常結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上更加接近。為揭示倒角結(jié)構(gòu)對(duì)于渦輪輪緣性能的影響，本文重點(diǎn)關(guān)注輪轂附近流動(dòng)。在輪轂附近數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，也即說明通過數(shù)值計(jì)算可以捕捉到輪轂附近的二次流結(jié)構(gòu)。綜上，定常數(shù)值計(jì)算方法可以滿足本文的研究目的。

圖3 出口氣流角Fig.3 The outlet flow angle

2 結(jié)果分析與討論

圖4為渦輪盤腔間隙處的無量綱徑向速度分布云圖。無量綱徑向速度系數(shù)定義為盤腔間隙當(dāng)?shù)貜较蛩俣扰c間隙出口基于面積加權(quán)平均的徑向速度之比。徑向速度為正代表封嚴(yán)冷氣出流，徑向速度為負(fù)代表主流燃?xì)馊肭?。?dāng)IR=0.5%時(shí)，在原型和帶倒角兩種裝置中，燃?xì)馊肭志l(fā)生在靜子尾緣正對(duì)轉(zhuǎn)子前緣且靠近靜子尾緣壓力面一側(cè)的區(qū)域。受動(dòng)盤泵效應(yīng)影響，封嚴(yán)氣體出流主要發(fā)生在靠近轉(zhuǎn)子一側(cè)。前緣倒角結(jié)構(gòu)的設(shè)置使得前緣曲率連續(xù)，削弱了前緣吸力峰的強(qiáng)度(高低壓區(qū)域)，所以出現(xiàn)如圖所示帶倒角渦輪結(jié)構(gòu)燃?xì)馊肭謪^(qū)域要稍小于原型結(jié)構(gòu)。隨著封嚴(yán)流量增大，燃?xì)馊肭治恢脹]有發(fā)生變化，入侵周向范圍減小；間隙內(nèi)的流動(dòng)以封嚴(yán)冷氣出流為主。

圖4 盤腔間隙徑向速度云圖(IR=0.5%)Fig.4 Radial velocity contour of disk cavity clearance(IR=0.5%)

圖5為不同封嚴(yán)流量下，帶倒角和不帶倒角渦輪盤腔內(nèi)無量綱的封嚴(yán)效率分布。封嚴(yán)效率定義為

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圖5 盤腔中封嚴(yán)效率沿半徑方向分布Fig.5 The sealing efficiency distribution along the radius direction in the cavity

式(1)中：cs為當(dāng)?shù)厥聚櫄怏w(CO2)濃度;ca為主流進(jìn)口示蹤氣體濃度;c0為冷氣進(jìn)口示蹤氣體濃度。在本文計(jì)算的流量范圍內(nèi)，燃?xì)馊肭种话l(fā)生在封嚴(yán)間隙內(nèi)。隨著封嚴(yán)流量增大，封嚴(yán)效率增大。當(dāng)封嚴(yán)流量為0.5%時(shí)，無倒角渦輪裝置輪緣處的密封效率為88.5%，而當(dāng)封嚴(yán)流量增大到1.3%時(shí)，輪緣處封嚴(yán)效率達(dá)到98.2%。對(duì)于帶倒角結(jié)構(gòu)渦輪盤腔裝置，當(dāng)封嚴(yán)流量為0.5%、0.9%時(shí)，其輪緣封嚴(yán)效率大于無倒角渦輪盤腔裝置，隨著封嚴(yán)流量增大，這種差異減小。前緣增加倒角結(jié)構(gòu)對(duì)于主流燃?xì)馊肭钟幸欢ǖ囊种谱饔?，最大可使輪緣封?yán)效率提高7%。同上文分析結(jié)果一致。

封嚴(yán)冷氣和主流在周向方向的速度差會(huì)導(dǎo)致冷氣和主流發(fā)生強(qiáng)剪切作用，在盤腔間隙形成間隙渦，也稱K-H(Kelvin-Helmholtz)渦，如圖 6所示。切向速度系數(shù)定義為當(dāng)?shù)厍邢蛩俣扰c靜葉出口平均切向速度的之比。隨著封嚴(yán)冷氣量增大，轉(zhuǎn)盤對(duì)流動(dòng)的加速作用減弱，出流冷氣的切向速度減小，封嚴(yán)冷氣和主流的切向速度梯度加大，間隙渦的強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。在高封嚴(yán)流量下，倒角結(jié)構(gòu)的存在會(huì)略微增大出流冷氣量，因此間隙渦的強(qiáng)度有所增強(qiáng)，但增大的程度較弱。在低封嚴(yán)流量下，倒角結(jié)構(gòu)使得間隙渦區(qū)域減小，這與上文提到的低封嚴(yán)流量下燃?xì)馊肭譁p小有關(guān)。隨著間隙渦向下游發(fā)展，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子進(jìn)口截面出現(xiàn)了3個(gè)正負(fù)渦量區(qū)(對(duì)應(yīng)三個(gè)轉(zhuǎn)子葉片)如圖 7所示。在原型和倒角兩種裝置中，轉(zhuǎn)子進(jìn)口渦量分布和大小較為接近，也即倒角結(jié)構(gòu)對(duì)于轉(zhuǎn)子上游主流流場(chǎng)影響較弱，下面分析轉(zhuǎn)子通道中流場(chǎng)的變化規(guī)律。

圖6 盤腔間隙流線圖Fig.6 Streamline diagram of disc cavity gap

圖7 盤腔間隙下游軸向渦量Fig.7 Axial vorticity downstream of disc cavity clearance

前緣倒角使得前緣附近的氣流加速，降低了前緣附近徑向壓力梯度。為此使得不同流量下馬蹄渦的形成位置向后方移動(dòng)。由輪轂極限流線[圖8(a)]可以發(fā)現(xiàn)馬蹄渦吸力面分支分離線變短，吸力面馬蹄渦分支強(qiáng)度減弱。從葉片表面極限流線[圖8(b)]可以看出，帶倒角結(jié)構(gòu)的通道渦出口位置略微有所降低。前緣倒角通過對(duì)馬蹄渦的抑制，使得通道渦強(qiáng)度減弱。

圖8 轉(zhuǎn)子葉片、輪轂極限流線Fig.8 Limit streamline of rotor blade and hub

為了更加直觀地看出渦結(jié)構(gòu)向下游的發(fā)展過程，通過Q-λ準(zhǔn)則識(shí)別渦結(jié)構(gòu)，用軸向渦量著色的轉(zhuǎn)子渦系結(jié)構(gòu)如圖 9所示。圖9中并沒有識(shí)別到明顯的馬蹄渦壓力面分支結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)轳R蹄渦壓力面分支形成后直接匯入間隙渦中，一同向下游發(fā)展形成通道渦，間隙渦成了通道渦的主要貢獻(xiàn)者。從圖中也可以看出倒角結(jié)構(gòu)使得馬蹄渦吸力面分支區(qū)域減小，強(qiáng)度減弱，得到的結(jié)論同極限流線。此外，倒角結(jié)構(gòu)改善了前緣附近的流場(chǎng)，在一定程度上降低了端壁邊界層的高損失區(qū)域；抬高了上游靜子尾跡脫落渦位置；相當(dāng)于切斷了馬蹄渦的能量來源。有助于減弱馬蹄渦的強(qiáng)度，從而使得出口通道渦強(qiáng)度降低。

圖9 渦輪通道渦系結(jié)構(gòu)Fig.9 turbine passage vortex structure

封嚴(yán)流量的增加會(huì)對(duì)動(dòng)葉葉片表面壓力系數(shù)產(chǎn)生較為明顯的影響，如圖 10所示。隨著封嚴(yán)流量增大，封嚴(yán)冷氣出流量增大，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)口造成堵塞增大，因此前緣附近的壓力系數(shù)整體有所降低。封嚴(yán)冷氣同主流復(fù)雜剪切作用在轉(zhuǎn)子入口形成的間隙渦(高的正負(fù)渦量集中區(qū)域)使得前緣吸力面、壓力面壓力系數(shù)出現(xiàn)了較大的交叉。在不同封嚴(yán)流量下增加倒角裝置使得吸力面最大曲率位置以前的壓力系數(shù)降低。這主要是由于倒角裝置對(duì)葉根截面流場(chǎng)的加速作用，減小了流動(dòng)損失，從而使得當(dāng)?shù)仂o壓增大，壓力系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。倒角結(jié)構(gòu)主要通過影響壓力勢(shì)場(chǎng)來對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生影響，隨著向下游發(fā)展，這種勢(shì)場(chǎng)的影響逐漸減弱，在吸力面逆壓力梯度區(qū)域，倒角對(duì)壓力系數(shù)的影響作用幾乎消失。由圖 11的轉(zhuǎn)子出口氣流角沿半徑方向的分布可以看出倒角裝置對(duì)于通道渦的抑制作用，可以減弱端壁附近流動(dòng)的過轉(zhuǎn)和葉中截面的欠轉(zhuǎn)程度。這將有助于降低葉型損失和二次流損失。

圖10 5%轉(zhuǎn)子葉高截面處葉片壓力系數(shù)分布Fig.10 Pressure coefficient distribution at the section of 5% rotor blade span

圖11 轉(zhuǎn)子出口氣流角分布(IR=1.3%)Fig.11 The exit angle of rotor (IR = 1.3%)

圖12為不同封嚴(yán)流量下的渦輪氣動(dòng)效率。其定義為

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當(dāng)封嚴(yán)流量IR=1.3%時(shí)，間隙處的流動(dòng)以出流冷氣為主，出流冷氣和主流干涉是造成氣動(dòng)損失增加的原因之一，倒角結(jié)構(gòu)使得被間隙渦匯入的通道渦強(qiáng)度減弱，為此可使得渦輪氣動(dòng)效率增加2.1%，而在封嚴(yán)流量為0.5%時(shí)，氣動(dòng)效率增加1.7%，這主要是因?yàn)樵诘头鈬?yán)流量情況下，倒角結(jié)構(gòu)抑制了燃?xì)馊肭郑毡檎J(rèn)為燃?xì)馊肭趾屠錃獬隽鞯南嗷プ饔脤?duì)于間隙渦的產(chǎn)生和發(fā)展具有促進(jìn)作用。由圖6也可以看出相比于原型結(jié)構(gòu)，帶倒角裝置的盤腔出口剪切渦區(qū)域有所減小，因此渦輪氣動(dòng)損失降低。在低封嚴(yán)流量和高封嚴(yán)流量下，倒角結(jié)構(gòu)對(duì)于渦輪效率的提高具有重要意義。

3 結(jié)論

在不同的封嚴(yán)流量下，細(xì)致分析了倒角結(jié)構(gòu)對(duì)于主流燃?xì)馊肭趾头鈬?yán)冷氣出流的影響規(guī)律。研究表明：前緣倒角通過對(duì)燃?xì)馊肭?、封?yán)出流、通道渦結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)子出口氣流角的影響，使得帶倒角的渦輪(Turbo_fillet)相比于無倒角渦輪(Turbo)在所研究的范圍都具有較高的渦輪氣動(dòng)效率。

(1)前緣倒角可以加速前緣附近氣體的流動(dòng)，從而降低轉(zhuǎn)子前緣徑向壓力梯度，使得前緣馬蹄渦強(qiáng)度減弱。前緣倒角對(duì)于高、低封嚴(yán)流量下盤腔間隙渦影響趨勢(shì)相反，但整體上影響都較弱。

(2)在不同封嚴(yán)流量下，倒角結(jié)構(gòu)對(duì)于燃?xì)馊肭志哂幸欢ǖ囊种谱饔茫诒疚牡难芯糠秶鷥?nèi)最大可使得輪緣密封效率提高7%。

(3)前緣倒角通過影響前緣勢(shì)場(chǎng)來影響流動(dòng)狀態(tài)，這種影響在流向方向上主要集中在葉片最大曲率位置以前。前緣倒角使得轉(zhuǎn)子吸力面壓力升高；在徑向方向上減弱了轉(zhuǎn)子出口氣流角的欠轉(zhuǎn)和過轉(zhuǎn)程度，削弱了通道二次流強(qiáng)度。