汽輪機(jī)扭葉片葉頂間隙泄漏流動(dòng)的數(shù)值分析

楊 靜

(長(zhǎng)春工程學(xué)院)

汽輪機(jī)扭葉片葉頂間隙泄漏流動(dòng)的數(shù)值分析

楊 靜*

(長(zhǎng)春工程學(xué)院)

針對(duì)某汽輪機(jī)中壓級(jí)扭葉片進(jìn)行數(shù)值研究，分析了不同葉頂間隙下扭葉片頂部的泄漏流動(dòng)，并著重研究了扭葉片間隙渦的形成、發(fā)展和對(duì)汽輪機(jī)級(jí)性能的影響。研究結(jié)果表明：葉片的適當(dāng)扭轉(zhuǎn)，可使徑向壓力梯度變緩、根部的反動(dòng)度增加、頂部的反動(dòng)度減少，在一定程度上控制了泄漏流動(dòng)的發(fā)展。扭葉片葉頂處的泄漏渦在葉柵通道中是以螺旋狀向下游發(fā)展的，渦核的位置隨流動(dòng)逐漸遠(yuǎn)離吸力面。當(dāng)葉頂間隙增大時(shí)，泄漏渦強(qiáng)度變大，并且與上通道渦的摻混作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致了更大的流動(dòng)損失。

汽輪機(jī) 扭葉片 葉頂間隙 泄漏流 通道渦

為了提高汽輪機(jī)通流部分的流動(dòng)效率，汽輪機(jī)的葉片大部分都采用了扭葉片，以適應(yīng)氣動(dòng)參數(shù)沿葉高變化的情況，有效減小沖角并滿足汽輪機(jī)級(jí)的性能要求。但由于葉頂間隙的存在，葉頂?shù)男孤┝黧w依然會(huì)與通道主流流體摻混，干擾葉柵通道內(nèi)的正常穩(wěn)定流動(dòng)，造成主蒸汽做功能力降低，影響汽輪機(jī)的運(yùn)行效率。因此有必要了解葉頂泄漏流在扭葉片葉柵通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，從而更好地控制頂部的泄漏流動(dòng)、降低泄漏損失和摻混損失。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞葉頂間隙泄漏及其對(duì)葉柵流道內(nèi)的影響進(jìn)行了一系列理論和試驗(yàn)研究[1～7]，基本揭示了泄漏流動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理和泄漏渦的發(fā)展規(guī)律。在扭葉片的研究方面，隋永楓等采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法對(duì)汽輪機(jī)低壓級(jí)扭葉片進(jìn)行三維優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后有效改善了次末級(jí)葉根處的流動(dòng)分離，降低了流道損失[8]。曹麗華等分析了葉頂間隙泄漏流動(dòng)對(duì)葉頂靜壓、湍動(dòng)能和葉片表面壓力系數(shù)等參數(shù)的影響[9]。胡鵬飛等分析幾種不同葉頂間隙下葉頂泄漏流動(dòng)的規(guī)律[10]。Filippo Rubechini等通過數(shù)值模擬的方法尋求中壓缸通流部分整體優(yōu)化策略，提出一種能夠兼顧級(jí)間相互影響的斜置靜葉與扭轉(zhuǎn)動(dòng)葉相結(jié)合的優(yōu)化方案，對(duì)提高汽輪機(jī)級(jí)效率有一定的借鑒意義[11]。綦蕾等利用三維粘性非定常數(shù)值模擬的方法分析汽輪機(jī)末級(jí)常規(guī)扭葉片內(nèi)部由動(dòng)靜干涉導(dǎo)致非定常流動(dòng)的規(guī)律[12]。宋立明等指出通過優(yōu)化葉柵型線來改變?nèi)~柵的載荷分布可有效提高葉柵的氣動(dòng)性能[13]。高學(xué)林和袁新研究了動(dòng)、靜葉片經(jīng)過彎扭傾掠等變形后流場(chǎng)的性能變化，指出扭葉片經(jīng)過合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)后能夠使總壓損系數(shù)減少0.95%[14]。柴山等研究了汽輪機(jī)扭葉片葉頂間隙引起的汽流激振問題[15]。朱曉峰和袁新通過設(shè)計(jì)葉型的局部扭轉(zhuǎn)控制葉柵喉部的通流面積來提高汽輪機(jī)的級(jí)效率[16]。但上述分析中均未考慮葉頂間隙泄漏流動(dòng)的影響。Cecco S D等專門研究了扭葉片葉頂損傷造成的間隙變化對(duì)泄漏損失和葉柵氣動(dòng)性能的影響[17]。曹麗華等研究了扭葉片正彎對(duì)葉柵通道渦和葉頂間隙泄漏流動(dòng)的影響[18]。李平等則分析了具有阻尼拉金和葉頂間隙的汽輪機(jī)末級(jí)流動(dòng)狀況，認(rèn)為考慮了葉頂間隙泄漏流動(dòng)和拉金擾流特性后，汽輪機(jī)末級(jí)效率下降了1.23%，強(qiáng)調(diào)了葉頂泄漏損失的重要性[19]。但上述研究卻沒有給出扭葉片葉頂間隙泄漏流與通道二次渦的相互作用細(xì)節(jié)和泄漏渦的生成與發(fā)展過程。

筆者采用數(shù)值模擬方法，分析葉片扭轉(zhuǎn)后葉柵通道流場(chǎng)內(nèi)渦系的變化情況，通過對(duì)三維流線、靜壓力系數(shù)及通道內(nèi)的總壓損失系數(shù)等的分析，研究不同葉頂間隙τ下扭葉片頂部泄漏流動(dòng)的發(fā)展變化及其對(duì)葉柵通道流場(chǎng)的影響規(guī)律。

1 物理模型和網(wǎng)格劃分

筆者選取某300MW汽輪機(jī)中壓級(jí)的常規(guī)扭葉片，建立物理模型。該級(jí)動(dòng)葉的基本幾何參數(shù)如下：

葉柵節(jié)距 46.39mm

前緣半徑 2.135mm

葉型扭轉(zhuǎn)角 4.6°

展弦比 2.02

葉片數(shù) 80

葉片高度 112.6mm

葉片弦長(zhǎng) 55.04mm

軸向弦長(zhǎng) 49.50mm

中徑安裝角 48.69°

轉(zhuǎn)速 3 000r/min

在整個(gè)計(jì)算域的兩個(gè)周向邊界面上使用周期性邊界條件，以節(jié)約計(jì)算資源、縮短計(jì)算時(shí)間。計(jì)算域的網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，對(duì)葉頂間隙內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。為了確定網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響程度，進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。分別選用了約70萬、90萬、110萬、130萬、160萬網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在110萬到160萬網(wǎng)格下計(jì)算結(jié)果基本不變，因此可以認(rèn)為超過110萬的網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果已不再敏感。考慮到計(jì)算精度和計(jì)算量，筆者采用了靜葉流域網(wǎng)格數(shù)約27萬，動(dòng)葉流域網(wǎng)格數(shù)約45萬，間隙流域網(wǎng)格數(shù)約48萬，總網(wǎng)格數(shù)約120萬進(jìn)行計(jì)算。葉柵通道的幾何模型和網(wǎng)格劃分如圖1所示。

a． 葉柵通道幾何模型

b． 網(wǎng)格劃分

2 計(jì)算方法及邊界條件

數(shù)值模擬選用各向異性的κ-ωSST(剪切應(yīng)力傳輸)湍流模型，該模型在近壁處適應(yīng)能力較好，可有效地捕捉泄漏渦和上通道渦的摻混情況。離散方法采用有限容積法，離散格式選擇二階迎風(fēng)格式。并應(yīng)用SIMPLEC算法求解。計(jì)算工質(zhì)選用過熱態(tài)蒸汽，入口邊界條件為壓力入口，壓力設(shè)為2.47MPa；出口邊界條件為壓力出口，壓力設(shè)為2.12MPa。采用無滑移絕熱壁面條件進(jìn)行模擬，數(shù)值計(jì)算平均600步達(dá)到收斂要求。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1葉柵通道三維流線分析

圖2是相同葉頂間隙(τ=1.0mm)下扭葉片葉柵流場(chǎng)與等截面直葉片葉柵流場(chǎng)的三維流線對(duì)比圖。從圖中可以看出，端壁附面層內(nèi)的低能流體由于受到相鄰動(dòng)葉間壓力梯度的影響，在葉柵的上、下端部形成橫向的二次流動(dòng)，橫向二次流與葉柵通道的主流相互作用從而形成了通道渦。從葉頂間隙泄漏出的流體受到了葉柵上通道渦的作用，在通道內(nèi)發(fā)生翻轉(zhuǎn)變形，形成與它旋向相反的葉頂泄漏渦，這些渦系都是級(jí)內(nèi)損失的重要來源。在圖2a中，由于模型設(shè)置了周期性邊界，還可以觀察到相鄰葉片通道中的通道渦和泄漏渦向級(jí)后傳遞的現(xiàn)象。圖2b中所顯示的葉頂泄漏渦和通道渦的影響范圍都較圖2a有所減小，并貼著葉片的背弧向下游發(fā)展。這是由于動(dòng)葉經(jīng)適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)后，葉片的靜壓沿徑向的分布獲得改善，壓力梯度變緩，根部的反動(dòng)度增加，頂部的反動(dòng)度減少，在一定程度上控制了泄漏流動(dòng)的發(fā)展，改善了通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。

a． 直葉片

3.2葉頂間隙區(qū)域軸向截面的流動(dòng)特性

圖3是葉頂間隙不同時(shí)扭葉片不同軸向截面的流線和葉頂表面壓力分布。在圖3a～c中，葉頂壓力面的邊緣處都出現(xiàn)了低壓區(qū)，這部分低壓區(qū)域是蒸汽在流進(jìn)葉頂間隙時(shí)，由于慣性力的作用發(fā)生了回流導(dǎo)致的。此外，觀察圖中的流線，可以看到扭葉片葉頂泄漏渦的發(fā)展規(guī)律：葉柵通道內(nèi)的泄漏渦都是以螺旋狀向下游運(yùn)動(dòng)的。并且，泄漏渦渦核的位置隨流動(dòng)逐漸遠(yuǎn)離吸力面，向葉柵通道內(nèi)發(fā)展。泄漏渦在葉片徑向的影響區(qū)域先是逐漸增大的，運(yùn)動(dòng)到了通道尾部100%軸向截面(圖中100%Cx)附近時(shí)，開始有減小的趨勢(shì)，這說明葉片的適當(dāng)扭轉(zhuǎn)可降低頂部泄漏，使泄漏渦對(duì)下游的影響得到了相應(yīng)的削弱。在葉柵的尾緣，由于壓力面與吸力面之間的橫向壓力梯度開始減小，所以端壁處汽流所受到的湍流粘性剪切應(yīng)力相對(duì)增大，葉頂?shù)钠鞒霈F(xiàn)了反向流動(dòng)的現(xiàn)象。但這種反向流動(dòng)在汽輪機(jī)動(dòng)葉柵尾部是很微弱的，對(duì)泄漏渦的流動(dòng)規(guī)律是沒有影響的。

b． τ=1.5mm

c． τ=2.0mm

此外，對(duì)比圖3中的各圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著葉頂間隙的增大，泄漏渦對(duì)葉柵通道的擾動(dòng)逐漸增強(qiáng)，無論是在徑向還是周向，葉柵通道內(nèi)的影響區(qū)域都是在逐漸增大的。

3.3葉柵通道軸向截面總壓損失系數(shù)分析

總壓損失系數(shù)是表征流體能量損失大小和分布的重要參數(shù)。動(dòng)葉出口截面的總壓損失系數(shù)ζ定義如下：

(1)

式中pt0——?jiǎng)尤~進(jìn)口總壓，Pa；

pt-Local——?jiǎng)尤~當(dāng)?shù)乜倝海琍a；

圖4是不同葉頂間隙下扭葉柵通道軸向截面總壓損失系數(shù)分布。從圖中可以看到，在葉片通道端部有渦系出現(xiàn)的地方形成了高損失區(qū)，說明葉頂泄漏渦與上通道渦的摻混作用使汽流在葉片上端區(qū)的能量損失明顯增加。對(duì)比圖4a～c可見，隨著葉頂間隙的增大，泄漏流引起的能量損失逐漸增大。當(dāng)葉頂間隙τ=2.0mm時(shí)，泄漏渦影響較大部分的葉柵通道范圍，引起汽流在葉柵通道內(nèi)流動(dòng)的不穩(wěn)定性增強(qiáng)，最終造成動(dòng)葉通道后部較大的損失，使汽輪機(jī)的級(jí)內(nèi)效率下降。

a． τ=1.0mm

b． τ=1.5mm

c． τ=2.0mm

3.4不同葉高位置下壓力系數(shù)分析

壓力系數(shù)Cp的定義為：

(2)

式中pstatic——靜壓，Pa；

pref——參考?jí)毫Γ琍a。

圖5分別是50%和95%葉高位置的扭葉片表面壓力系數(shù)分布。從圖中可以看到，在50%葉高時(shí)，葉片內(nèi)弧和背弧表面壓力系數(shù)隨葉頂間隙變化不大。但是，95%葉高時(shí)，壓力系數(shù)則隨間隙產(chǎn)生較大的波動(dòng)，葉頂間隙τ=2.0mm時(shí)的波動(dòng)最為明顯，葉片內(nèi)弧的壓力系數(shù)增大，背弧的壓力系數(shù)在前緣附近增大，但隨后開始迅速下降，壓力系數(shù)的最低點(diǎn)更低并向尾緣的方向移動(dòng)。這是由于葉頂間隙的增大，導(dǎo)致更多的泄漏流進(jìn)入葉柵通道，造成更大的壓力損失，使背弧壓力系數(shù)迅速降低，內(nèi)弧和背弧的壓力系數(shù)之差增大。因此，若要降低蒸汽流在葉柵通道內(nèi)的損失，提高蒸汽的做功能力，就需要適當(dāng)減小動(dòng)葉頂部的間隙大小。

a． 50%葉高

b． 95%葉高

4 結(jié)論

4.1葉片適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)設(shè)計(jì)，可使靜壓沿徑向的分布獲得改善，壓力梯度變緩，根部的反動(dòng)度增加，頂部的反動(dòng)度減少，一定程度上減少了葉頂?shù)男孤┝鲃?dòng)。

4.2扭葉片的葉頂泄漏流與葉柵通道內(nèi)的上通道渦相互作用，形成泄漏渦。泄漏渦是以螺旋狀向葉柵下游發(fā)展的，渦核的位置逐漸遠(yuǎn)離吸力面，影響范圍逐漸擴(kuò)大。當(dāng)間隙增大時(shí)，影響會(huì)更加顯著。

4.3由泄漏流引起的動(dòng)葉上端區(qū)損失是葉柵通道內(nèi)損失的主要原因。隨著葉頂間隙的增大，葉頂泄漏渦與上通道渦的摻混作用使葉片上端區(qū)的能量損失逐漸增加。間隙增加會(huì)使葉片背弧的壓力迅速下降，從而降低了葉柵通道汽流的做功能力。

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NumericalAnalysisofTwistedBlade’sTipLeakageFlowinSteamTurbine

YANG Jing, YANG Song

(ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Twisted blades of an intermediate pressure turbine were investigated numerically and the leakage flow under different tip clearances of twisted blades was analyzed, including the formation and the development of twisted blades passage vortex and its influence on the performance of turbine stage．The results show that, the appropriate twist of blades can slow down the radial pressure gradient and increase the root reaction and decrease the tip reaction as well as control the development of leakage flow to a certain degree; and the leakage vortexes at twisted blades tip in stage passage can develop toward downstream spirally and the position of vortex core leaves the suction gradually as it flows; with the increase of the tip clearance, the strength of leakage vortex can become larger and its mixing effect between the up passage vortexes gets enhanced to result in a greater flow loss．

steam turbine, twisted blade, tip clearance, leakage flow, passage vortex

*楊 靜，女，1979年7月生，講師。吉林省長(zhǎng)春市，130012。 楊 松

TQ051.21

A

0254-6094(2016)05-0655-06

2015-10-10，

2016-05-05)