渦輪末級導葉頂部彎曲對氣動影響的研究

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(哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著燃氣輪機技術的進一步發(fā)展，以及對循環(huán)效率的持續(xù)追求，高溫高負荷的渦輪設計已經成為未來先進燃氣輪機的關鍵技術之一。在葉輪機械中，由于粘性及其復雜邊界條件的限制，從而產生了各種各樣的二次流動，近幾十年來研究者提出了多種控制二次流動的方法，由于彎葉片對減少二次流損失效果顯著，并且具有很好的變工況性能，因此得到了廣泛的重視[1-2]。

自上世紀60年代初期首次提出彎曲葉片成型方法以來，國內外的很多研究人員對渦輪葉片的結構設計進行了大量的理論探討和試驗研究[3]。雖然彎曲葉片技術在葉輪機械領域得到了一定范圍的應用，但是對于不同葉片應用彎葉片設計方法后所得到的氣動性能卻各有差異。除此之外，葉片的彎曲參數(shù)和形式差異也會得到截然不同的效果[4]，因此所取得的收益也不同。Shieh等[5]用有限元體積法計算徑向和兩類切向彎曲導葉的軸流渦輪級三維雷諾平均N-S方程。給出了一個軸向渦輪級的三維流動數(shù)值模擬結果。通過對徑向葉型的切向位移，得到了彎曲導葉，仿真過程在實驗數(shù)據(jù)的輔助下得到了驗證。Yao等[6]對跨音速和超音速流動條件下的彎曲葉片進行了數(shù)值模擬，揭示了彎曲葉片降低沖擊損失的機理，分析了彎曲葉片對流場結構的影響。Ding等[7]研究了彎曲葉片的不同彎曲高度和正彎角對二元流道內氣動性能和渦結構的影響。結果發(fā)現(xiàn)，在一定的彎曲高度下，存在一個最佳彎角。正彎角較大，或接近最佳彎角時，在彎曲葉片的作用下，沿展向負荷側的損耗峰值急劇增加。王前等[8]通過實驗研究了彎曲靜子葉片分別為彎曲葉片和直葉片時葉尖射流的擴穩(wěn)效果以及內部流場信息。結果發(fā)現(xiàn)，彎曲靜子葉片使得葉尖射流的擴穩(wěn)效果更加顯著。王建明等[9]采用數(shù)值模擬的方法研究了一系列彎高和不同彎角的葉片周向彎曲造型設計對氣動性能的影響。結果表明，動葉的周向彎曲能夠引起葉頂?shù)湍芰黧w向主流區(qū)遷移，從而降低葉頂區(qū)域的流動損失，但在主流區(qū)流動損失有所增加，并且葉片通道內流體的質量流量沿葉高方向被重新分配。潘賢德等[10]研究發(fā)現(xiàn)導葉采用正彎設計，端區(qū)損失明顯減少，葉中損失略有增大，導葉總損失減少；同時導葉彎曲還改善了下游動葉的進氣條件，減小了動葉損失，最終提高了高壓渦輪效率。丁俊等[11]以環(huán)形擴壓葉柵為研究對象,通過正交試驗設計的方法,分析了試驗結果。發(fā)現(xiàn)存在一個最佳彎葉片彎角以平衡集中脫落渦和壁角渦對葉柵出口總壓損失分布的影響。

本文以進口溫度達到1 600℃的重燃渦輪末級導葉為研究對象。由于末級面臨著較為嚴重的氣動問題，相比于F級重燃渦輪，末級的反動度明顯增高，尤其在葉頂部分，反動度超過0.65。另外末級動葉面臨的激波問題也不容小視，且馬赫數(shù)最高的位置依然出現(xiàn)在葉頂附近。針對以上，考慮結合葉片的三維造型技術，采用了哈爾濱工業(yè)大學發(fā)動機氣體動力研究中心自主開發(fā)的葉片彎曲生成程序，自動生成彎葉片葉型文件。其中葉頂彎曲設計均改變了葉片表面的壓力梯度，從而改變葉柵的氣動性能。本文通過改變末級導葉的徑向積疊方式，來改變末級反動度分布，并分析它們對氣動性能的影響。

1 計算方法

針對氣冷渦輪葉片參數(shù)較多，網格生成較為復雜，耗時較長，且三維設計算例較多的問題，哈爾濱工業(yè)大學發(fā)動機氣體動力研究中心開發(fā)了新一代網格生成軟件，可以快速生成三維計算所需的網格，可檢查網格生成質量，并加入新結構的網格生成模塊，包括葉根葉頂?shù)菇?、自由徑向間隙或帶有篦齒封嚴的根頂結構、尾緣全劈縫及半劈縫、葉身冷氣孔或冷氣縫的網格生成、上下端壁網格的生成(包括葉柵前緣、葉柵通道內部近壓力面?zhèn)扰c近吸力面?zhèn)?。本文三維計算所用的網格均由此HIT-areomesh軟件生成。

本文采用商用軟件ANSYS CFX對設計好的四級渦輪進行氣動特性的三維數(shù)值模擬計算。主要目的是分析其三維氣動特點。

2 葉頂彎曲設計研究方案

本研究包括±30°、±20°和±10°六個不同彎角的計算方案?？紤]到原始設計中，末級根部的流動特性較為合理，且葉根部分彎曲對損失的降低收益較小，故僅對導葉葉頂進行彎葉片設計，來研究其對末級流動性能的影響。

本文研究的重燃渦輪末級葉片，屬于長葉片范疇，展弦比較大，積疊線形式采取頂端與中部采用直線，兩段直線采用拋物線進行連接過渡，稱為L-C-L-C-L型積疊，采用此方式的積疊形式可以減小葉柵端部的葉型損失。圖1為葉頂正彎30°(+30°)時的末級葉片幾何示意圖。

3 葉頂彎曲設計方案結果分析

圖2給出了末級在不同葉頂彎角時的反動度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著彎曲角度的增大末級反動度也在不斷增大。由于原始設計存在末級反動度較大的問題，因此葉頂負彎角會在一定程度上改善這一問題，同時也要關注反動度沿葉高的分布情況。圖3給出了末級反動度沿葉高的分布曲線，對比可以發(fā)現(xiàn)，雖然在正彎30°(+30°)時整體的反動度降低，但對葉片頂部區(qū)域來說，反動度較其他方案有所增大，達到了0.7，而在葉身中下部反動度降低。

圖4給出了動葉出口馬赫數(shù)沿葉高分布，可以看出末級出口馬赫數(shù)均大于1，屬于跨聲速葉柵，并且沿葉高馬赫數(shù)不斷增加，其中-30°彎角時馬赫數(shù)分布較為均勻，隨著角度的減小，葉頂部分馬赫數(shù)逐漸增大，葉身馬赫數(shù)逐漸減小。

圖5給出了末級導葉與動葉能量損失隨葉頂彎角變化的折線圖，在葉頂反彎時，導葉的能量損失均大于原始設計，當葉頂彎正彎時，導葉的能量損失均小于原始設計，導葉損失在正彎30°時最小，其數(shù)值為0.017 78，與原始設計的0.021 55相比能量損失降低17.49%；對于動葉而言出現(xiàn)同樣的情況，即導葉葉頂正彎時，動葉的能量損失也小于原始設計，當導葉葉頂反彎時，動葉的能量損失均大于原始設計，并且存在最佳彎角，目前的計算方案而言，導葉葉頂正彎20°時，動葉能量損失最小為0.125 4，相比于原始方案動葉能量損失系數(shù)的0.128 99，下降2.78%。相比于兩端彎曲能量損失系數(shù)下降的原因是葉片下端壁附近，本身由于二次流動尺度較小，本身具備良好的流動性能，再進行葉根彎曲后不能夠減小損失，反而由于產生葉根至葉片中部的徑向力，使得葉片中部負荷的增加，導致葉片中部損失增大，抵消了由葉頂彎曲產生的有益影響，而僅葉頂彎曲時，如圖6(a)所示，在不增加葉身損失的同時，減小了頂部損失系數(shù)，最終達到了減小損失的目的。對于動葉而言，導葉正彎時，動葉頂部的能量損失也有所減小，但葉身中下部損失增加。

圖7給出了型面壓力曲線對比圖，(a)、(c)、(e)分別為導葉10%、50%與90%葉高處的型面壓力分布，可以看出隨著彎曲角度從-30°增大到30°，10%與50% 葉高處的型面壓力曲線所圍成的面積增大，葉片所受負荷增加，并且可以看出壓力面曲線和吸力面前部降壓段曲線基本吻合，在逆壓梯度段開始發(fā)生變化，說明導葉葉頂正彎導致葉片中下部逆壓段的壓力有所下降，而在90%葉高處則正好相反，正彎30°的方案所受負荷最小，并且沒有發(fā)生壓力的突變，說明葉頂正彎30°時導葉激波損失最小。圖7(b)、(d)、(f)為動葉在三個截面上的型面壓力分布，產生較大差異的同樣是在90%葉高處，首先是前緣進氣攻角發(fā)生變化，原始設計本身存在負攻角的問題，當進行導葉彎曲后，正彎反彎均會增大負攻角。

4 結論

針對1 600℃ J級重燃渦輪末級面臨反動度較高的問題，對末級導葉進行葉頂彎曲造型，得到以下結論:

(1)導葉頂端彎曲時，會對導葉與動葉性能同時產生影響，導致導葉出口氣流角發(fā)生改變，從而對動葉片攻角匹配產生影響。葉片的彎角大小會對渦輪級的反動度、馬赫數(shù)、葉片表面靜壓等氣動參數(shù)產生較大的影響；

(2)對葉頂彎曲的研究發(fā)現(xiàn)，當葉頂正彎時，導葉與動葉的總能量損失系數(shù)均有所減小，導葉的能量損失在導葉葉頂正彎30°時最小；導葉葉頂正彎20°時，動葉能量損失最小;

(3)導葉葉頂正彎導致葉片中下部負荷增加, 而在90%葉高處則正好相反，正彎30°的方案中葉片負荷最小。