動葉圍帶對魚雷渦輪機通流性能影響研究

伊進寶, 趙衛兵, 師海潮

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動葉圍帶對魚雷渦輪機通流性能影響研究

伊進寶, 趙衛兵, 師海潮

(中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西 西安, 710075)

針對魚雷渦輪機葉片短小, 頂部間隙泄漏損失嚴重的問題, 基于求解雷諾平均的NAVIER-STOKES方程組, 對有無圍帶下魚雷渦輪機通流不同工況下流場及性能進行了數值計算, 研究了有無圍帶時渦輪機功率、效率、燃氣流量以及各種流動損失的變化規律, 分析了葉輪圍帶對渦輪機通流流場及性能的影響。研究表明, 在魚雷渦輪機葉輪頂部上安裝圍帶有助于消除葉輪流道主流中葉片徑向的泄漏流動, 減小葉輪內部流動損失, 提高渦輪機通流效率和功率, 改善魚雷渦輪機通流部分的工作性能。

魚雷渦輪機; 動葉圍帶; 數值仿真

0 引言

燃氣渦輪機具有功率輸出大、體積小、結構簡單和工作可靠等特點, 在進一步提高魚雷航速及維修性等方面具有明顯的優勢。

因其工作特點, 魚雷燃氣渦輪機一般采用短葉片設計, 葉頂間隙可占到葉片高度的10%, 如不采取措施, 葉頂漏氣損失特別嚴重, 因此一般在葉輪頂部安裝圍帶, 這樣有助于減小葉片徑向間隙燃氣泄漏, 改善沖動式葉輪的工作性能[1-2]。但對于在動葉頂部安裝圍帶能在多大程度上減小葉輪流動損失, 改善渦輪機通流性能, 尚未開展系統研究, 因此, 本文通過對比有無圍帶時魚雷渦輪機通流流場及性能, 研究葉輪圍帶對葉頂流動及損失發展的影響, 對于深入理解動葉圍帶對魚雷渦輪機通流性能的影響規律, 優化渦輪機通流設計具有一定的現實意義。

本文通過求解雷諾平均的NAVIER-STOKES方程組, 數值計算了有無圍帶時渦輪機通流不同工況下的流場及性能, 研究了有無圍帶時渦輪機功率、效率、燃氣流量以及各種流動損失的變化規律, 分析了葉輪圍帶對渦輪機通流流場及性能的影響。

1 算例簡介

算例渦輪機為部分進氣、沖動式、軸流式渦輪機, 其通流部分結構簡圖見圖1, 主要包括噴管、葉輪和殼體等[1-2]。

圖1 燃氣渦輪機通流部分示意圖

首先, 高溫高壓燃氣經過噴管, 在此過程中將氣體的可用焓降轉變為氣體的動能; 隨后, 高速燃氣以一定角度吹向葉輪, 使葉輪高速旋轉, 在此過程中完成了燃氣動能到葉輪動能的轉變。

2 計算方法

2.1 數值模型

2.2 計算網格及邊界條件

針對渦輪機通流部分進行建模, 采用H-O-H多塊結構化網格, 噴管壁面、葉片壁面及輪轂壁面網格局部加密以捕捉邊界層, 葉尖間隙、葉輪與噴管環軸向間隙也適當加密。

渦輪機采用部分進氣方式, 造成葉輪進口流場不均勻, 無法采用周期性邊界條件, 需對渦輪機進行全周數值仿真。算例網格點數約為106。圖2給出安裝圍帶和無圍帶時通流計算網格示意圖。

圖2 渦輪機通流部分計算網格

通過設置交界面進行葉輪計算域和噴嘴環計算域數值傳遞。為提高計算精確度, 計算的流體介質按照燃燒室出口燃氣的真實成分進行計算給出。采用亞音進口、亞音出口和絕熱、無滑移壁面邊界, 進口給定燃氣總壓和燃氣溫度, 出口給定燃氣靜壓。

3 計算結果與分析

圖3(a)~(c)分別給出了I, II速制下有圍帶和無圍帶時魚雷渦輪機通流內效率、功率和流量隨膨脹比的變化趨勢。

渦輪機通流內效率[3]定義為

渦輪機無量綱功率定義為渦輪機通流實際發出功率與設計功率之比; 流量系數定義為經過渦輪機的實際燃氣流量與理論流量之比[1-2]。

由圖3可以明顯看出, 有圍帶和無圍帶對渦輪機通流性能影響很大, 在魚雷渦輪機葉輪頂部安裝圍帶可明顯提高渦輪機通流性能。

由圖3(a)可知, 有無圍帶對渦輪機通流內效率影響明顯。在I, II速制同一膨脹比下, 有圍帶渦輪機效率明顯要比無圍帶渦輪機效率高得多; I速制下, 有圍帶渦輪機效率要比無圍帶渦輪機效率高6~11個百分點; II速制下, 有圍帶渦輪機效率要比無圍帶渦輪機效率高12個百分點。在葉輪頂部安裝圍帶可明顯改善渦輪機通流性能, 提高渦輪機通流內效率。

圖3 有無圍帶時渦輪機通流性能參數隨壓比變化趨勢

由圖3(b)可知, 有無圍帶對渦輪機通流功率影響明顯。I, II速制同一膨脹比下, 有圍帶渦輪機功率明顯要比無圍帶渦輪機功率高得多; I速制下, 有圍帶渦輪機效率要比無圍帶渦輪機效率高7~14個百分點; II速制下, 有圍帶渦輪機效率要比無圍帶渦輪機效率高14個百分點。在葉輪頂部安裝圍帶可明顯改善渦輪機通流性能, 提高渦輪機通流功率。

由圖3(c)可知, 有無圍帶對渦輪機流量系數基本上沒有影響, 渦輪機的流量系數幾乎不變, 維持在0.95左右, 不受渦輪機膨脹比影響; 這是由于本文所研究的渦輪機噴管為縮放式, 在計算的膨脹比范圍之內, 噴管環一直處于超臨界狀態, 渦輪機流量系數只與噴管結構參數有關, 與葉輪無關。

圖4(a)和(b)分別給出了I、II速制下有圍帶和無圍帶時魚雷渦輪機葉輪速度系數和總壓恢復系數隨膨脹比的變化趨勢。

圖4 有無圍帶時渦輪機通流損失特性隨壓比變化趨勢

由于本文研究的魚雷渦輪機葉輪為沖動式設計, 葉輪速度系數的定義為葉輪出口燃氣相對速度與葉輪入口燃氣相對速度之比, 葉輪總壓恢復系數定義為葉輪出口燃氣相對總壓與葉輪入口燃氣相對總壓之比。

速度系數和總壓恢復系數表征了渦輪機葉輪內部的流動損失。由圖4可知, 有無圍帶對渦輪機葉輪內部流動損失影響明顯。I, II速制下, 同一膨脹比下, 有圍帶渦輪機葉輪速度系數明顯要比無圍帶時高的多; I速制下, 有圍帶渦輪機葉輪速度系數要比無圍帶高6~13個百分點, 葉輪總壓恢復系數要比無圍帶高3~6個百分點; II速制下, 有圍帶渦輪機葉輪速度系數要比無圍帶高15個百分點, 葉輪總壓恢復系數要比無圍帶高4~6個百分點。在葉輪頂部安裝圍帶可明顯改善渦輪機通流性能, 減低葉輪內部流動損失。

圖5(a)~(c)分別給出了有無圍帶時某單一噴管對應葉輪流道內部75%、90%軸向弦長位置以及出口3個位置垂直于流向截面上燃氣相對總壓恢復系數云圖和流線分布示意圖比較。圖中使用_1~_5表示單一噴管所對應的5個葉片,表示葉片的吸力面,表示葉片的壓力面。

圖5 有無圍帶時葉輪內部總壓恢復系數和流線圖比較

比較可知, 葉片頂端沒有安裝圍帶時, 葉片頂部與機匣下壁面之間存在一定間隙, 噴管噴出的高速燃氣進入葉輪, 對動葉進行擠壓, 使葉片壓力面靜壓力高于吸力面, 在壓差作用下, 動葉徑向間隙形成從壓力面到吸力面的泄漏流[4], 當泄漏流從吸力面流出時與通道主流相互作用在沿著葉片吸力面的角落處形成泄漏渦, 在圖中用1~5標識; 泄漏流在吸力面角區形成高損失渦區, 使動葉吸力面附近的流動損失有大幅增加, 沿流向發展, 渦核向壓力面和中葉展處遷移。

葉頂間隙產生的泄漏流和泄漏渦對渦輪性能有著重要影響: 泄漏流動使得動葉壓力面靠近葉尖處的載荷減小, 泄漏流和泄漏渦堵塞通道主流, 增加葉輪內部流動損失。

與無圍帶時相比較, 在葉輪上安裝圍帶明顯消除了葉輪流道主流中葉片徑向的泄漏流動和泄漏渦, 使得葉片頂部流動損失減小, 這樣就有助于減小葉片徑向間隙燃氣泄漏, 減小葉輪內部流動損失, 改善魚雷渦輪機通流部分的工作性能。

4 結束語

本文基于求解雷諾平均的NAVIER-STOKES方程組, 數值計算了有無圍帶時魚雷渦輪機通流部分流場及性能, 研究了葉輪頂部圍帶對渦輪機通流性能和流場細節的影響。研究表明, 在魚雷渦輪機葉輪頂部上安裝圍帶有助于減小葉片徑向間隙燃氣泄漏, 消除葉輪流道主流中葉片徑向的泄漏流動, 減小葉輪內部流動損失, 提高渦輪機通流效率和功率, 改善魚雷渦輪機通流部分的工作性能。

[1] 趙寅生, 錢志博. 魚雷渦輪機原理[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2002.

[2] 查志武, 史小峰, 錢志博. 魚雷熱動力技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2006.

[3] 黃樹紅. 汽輪機原理[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[4] Denton J D. Loss Mechanisms in Turbomachinery[M], ASME, 93-GT-435, 1993.

Effect of Rotor Shroud on Flow Passage Performance of Torpedo Turbine

YI Jin-bao, ZHAO Wei-bing, SHI Hai-chao

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Aiming at the heavy flow leakage loss from rotor tip because of short blade in a torpedo turbine, a three- dimensional, viscous and steady computational fluid dynamics (CFD) analysis is performed for studying the turbine flow field and performance of rotors with or without rotor shroud under different designing condition by solving Rans-Navier-Stokes equations. The changing trends of turbine′s power, efficiency, gas flow rate, and various flow losses with or without rotor shroud are achieved, and the effect of rotor shroud on the flow field and the performance of turbine are analyzed. Results show that the rotor shroud can clearly enhance the power, efficiency and performance of turbine by eliminating the leakage flow and vortex at rotor tip, and by reducing the inner flow loss of torpedo turbine.

torpedo turbine; rotor shroud; numerical simulation

TJ630.32

A

1673-1948(2012)01-0056-04

2011-03-06;

2011-07-12.

伊進寶(1981-), 男, 博士后, 研究方向為魚雷熱動力技術.

(責任編輯: 陳 曦)