先進動葉平面葉柵試驗和數值分析

平艷， 田朝陽， 江生科， 王霜露， 鐘主海， 張曉東， 楊長柱

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

1 前言

汽輪機通流是汽輪機組的核心部分， 通流級的氣動性能直接影響汽輪機組的經濟性。 從圖1可以看出， 型損、 二次流占據了很大比重。 減少通流級的葉型損失、 降低葉片通道中的二次流損失等通流設計技術是提升通流氣動性能的關鍵，因此葉片的設計是保證汽輪機經濟性的關鍵所在。

圖1 汽輪機主要損失構成圖

葉型損失主要包括葉型周圍邊界層中的摩擦損失、 尾跡損失和沖波損失。 端損主要包括端部的摩擦損失以及二次流損失， 在總損失中占有較大比重， 因此控制二次流損失是提升通流效率的關鍵。 二次流的形成是因為通道沿橫向存在壓力梯度， 位于端壁邊界層內的流體由于動能較小，無法平衡橫向壓差的作用， 導致邊界層內的流體從葉片內弧面流向背弧面， 如圖2 所示。

圖2 葉型端部損失

準確模擬葉型內部流場的真實情況并獲得損失來源能夠有效指導葉型的設計工作， 而平面葉柵風洞試驗是獲得葉柵氣動性能及攻角特性的常規試驗手段， 它能夠提供詳盡的葉片氣動性能及葉片表面壓力分布， 并對數值分析程序不能準確處理的問題如附面層轉捩和激波處理提供數據積累。 現在亞音速汽輪機葉片的平面葉柵試驗已經很成熟， 國內外逐步對跨音速和超音速葉型進行平面葉柵試驗， 研究跨音速和超音速葉型的氣動性能。 平面葉柵試驗臺主要由電動調節閥、 擴壓段、 整流器、 穩流段、 收縮段、 試驗段和測針位移機構組成， 試驗段出口可以根據不同試驗需求對上下導板垂直方向進行微調， 改變試驗段出口面積。 設備本體用于安裝、 調整試驗段、 固定位移機構等。 通過蝸輪蝸桿結構調整葉柵進汽角，實現葉型的變攻角特性設計。

相對于過去的動葉葉型， 目前公司大部分改造和預設機組的動葉葉型均選用自主研發的第三代葉型， 但是對于不同動葉葉型的型損特性和端損特性的對比情況還缺乏相關數據， 因此需對其進行平面葉柵吹風試驗， 以確定其性能。 與靜葉相比， 動葉的入口角一般較小， 須對其攻角適應性進行驗證。 現代流體力學研究的手段不外乎三種： 理論分析、 試驗研究和計算流體力學方法。三者各有所長， 相互配合， 相互補充， 相互促進，共同推進流體力學研究的發展， 解決各種工程實踐問題。 本文選擇的二維計算程序進行CFD 計算， 具有操作簡單、 收斂快的優點， 能夠對二維葉型做快速評估， 但其與試驗是否符合并未進行過試驗驗證， 本文借助對動葉葉型進行平面葉柵試驗的機會驗證該二維程序正確性， 進而減小二維評估的工作量， 為后續葉型設計及優化工作有指導意義。

2 計算模型、 網格劃分方式及數值方法

2.1 計算模型

3 種不同動葉葉型分別以 A、 B、 C 表示， 葉型示意圖如圖3 所示。

圖3 3 種動葉葉型示意圖

2.2 數值方法

在保證相同弦長且截面均為設計相對節距的前提下， 選取 D/Dk=1.0、 1.1、 1.2、 1.3、 1.4 截面作為計算所選取截面， 以馬赫數在 0.2～0.9、 攻角±40°之間變化為變工況計算條件。 通過專業二維數值計算方法確定各動葉型線的損失情況及變工況性能， 對比葉型/自主研發葉型的能量損失情況， 并將計算結果與試驗做對比。 計算工質使用空氣， 在計算過程中， 給定葉片進口氣流角、 湍流強度和出口馬赫數的變化范圍。 本次研究重點關注不同葉型的攻角特性。

3 計算結果與分析

3.1 不同葉型的變攻角特性

在保證2%相同入口湍流度、 馬赫數為0.7 的前提下， 利用二維計算軟件對3 種不同葉型不同截面處的型損進行對比分析。 圖4-6 分別為A、B、 C 3 種動葉葉型在不同截面處二維計算和試驗的變攻角特性。

圖4 A 動葉葉型不同截面高度處變攻角特性

圖5 B 動葉葉型不同截面高度處變攻角特性

圖6 C 動葉葉型不同截面高度處變攻角特性

從圖中可以看出， 在D/Dk=1.0 截面即根部截面處， 葉型損失最大， 變攻角特性葉最差， 隨著截面高度的增加葉型損失逐步減小， 攻角特性也開始逐步得到改善， 在D/Dk=1.3 處A 葉型的損失最低且正負攻角特性最好， 截面高度繼續增加至D/Dk=1.4 處時損失稍微增加。

相同截面不同葉型進行對比來看， 在D/Dk=1.0 截面即根部截面處， ±10°的攻角范圍內， C 葉型的葉型損失最小， A 葉型損失最大， B 介于兩者之間， 正攻角繼續增大至大于10°時， C 葉型在攻角適應性方面的優勢更為明顯， 負攻角繼續增大至小于-10°時， B 葉型的攻角適應性明顯優于A 和C 葉型， C 葉型的葉型損失急劇增大， 在小于-20°時， 葉型損失明顯高于其他葉型。

D/Dk=1.1 截面處， -10°至+10°攻角范圍內， C葉型葉型損失最小， 其他葉型差別不大， 正攻角大于 10°時， B 葉型損失最小， 負攻角小于-20°時， B 和 A 的負攻角適應性明顯優于C 葉型， 其中B 的葉型損失更小。

在D/Dk=1.2 截面處， 整體B 葉型損失最小，變攻角性能最好， -60°至+10°攻角范圍內， C 葉型損失小于A， 隨著正攻角的增大， 葉型損失急劇增大， 攻角適應性變差。

在 D/Dk=1.3 截面處， -30°至+10°攻角范圍內，C 葉型損失最小， A 葉型損失最大， B 介于兩者之間； 負攻角進一步降低到-30°以下， C 葉型損失明顯增大， 在攻角小于-50°時， C 葉型損失明顯大于另外2 種葉型。

D/Dk=1.4 截面處， B 的正攻角特性優于A、 C葉型， 而負攻角大于30°時，C 葉型損失明顯增大。

試驗結果與計算結果基本一致， 根截面無論變攻角特性還是能量損失方面都相對較差。 進一步說明， 采用二維專業軟件計算的葉型損失結果也是比較可信的。

3.2 變馬赫數研究

在保證2%相同入口湍流度、 零攻角的前提下， 利用二維專業軟件對3 種不同葉型不同截面處的型損進行對比分析。 圖7-9 分別為A、 B、 C 3 種葉型在不同截面處二維專業軟件計算與試驗的變馬赫數特性研究。

圖7 A 葉型不同截面高度處變馬赫數特性

圖8 B 葉型不同截面高度處變馬赫數特性

圖9 C 葉型變馬赫數特性

就計算結果來看， 3 種葉型在D/Dk=1.0 即根截面處的葉型損失均最大， 隨著截面高度增加，葉型損失逐步降低， 在D/Dk=1.3 處葉型損失相對最低。 整體上馬赫數在0.3～0.8 變化時， 隨著馬赫數的增加， 葉型損失逐漸降低， 馬赫數大于0.8時， 損失急劇增大； D/Dk=1.0 時， C 葉型損失最低， A 葉型損失最大， B 葉型損失介于兩者之間；D/Dk=1.1 截面處變馬赫數特性與D/Dk=1.0 基本相同， 但是不同葉型間損失的差別明顯變小， 另外，當馬赫數大于0.5 時， C 葉型的葉型損失明顯優于其他葉型 ； D/Dk=1.2 截面處變馬赫數特性發生了變化， 即當馬赫數在 0.3～0.8 變化時， B 葉型損失最小， A 損失相對 C 葉型損失稍大； D/Dk=1.3 截面， 馬赫數在 0.3～0.8 變化時， A 葉型損失最大；B 和C 葉型相差基本不大， 另外當馬赫數小于0.3時， C 相對較大， 當馬赫數大于 0.8 時， B 葉型損失相對偏大； D/Dk=1.4 截面處的變馬赫數特性研究， B 葉型損失最小， 尤其當馬赫數小于0.5 時，相對另外2 種葉型這種優勢更為明顯， A 葉型損失最大， C 葉型介于兩者之間。

從試驗結果來看， 3 種葉型在D/Dk=1.0 即根截面處的葉型損失均最大， 隨著截面高度增加，葉型損失逐步降低， 在D/Dk=1.3 處葉型損失相對最低， 并且隨著馬赫數的逐步增大， 葉型損失逐步降低 （因試驗只進行到最大馬赫數為0.8 的情況， 計算結果對比葉僅進行到馬赫數為0.8 的情況）， 趨勢上計算所得結果與試驗基本保持一致。與計算結果略有不同的是其他截面與根截面的能量損失差異并不如計算所得的那么明顯。

從二維計算結果和試驗對比結果來看， 二維專業軟件計算所得的葉型變馬赫數特性還是比較可信的。

4 結論

通過以上對3 種不同動葉葉型計算分析和試驗對比， 可以得到以下結論：

（1）3 種葉型在 D/Dk=1.0 截面即根部截面處，葉型損失最大， 變攻角特性葉最差， 隨著截面高度的增加葉型損失逐步減小， 攻角特性也開始逐步得到改善， 在D/Dk=1.3 處A 葉型的損失最低且正負攻角特性最好， 截面高度繼續增加至D/Dk=1.4 處時損失稍微增加；

（2）3 種葉型在 D/Dk=1.0 即根截面處的葉型損失均最大， 隨著截面高度增加， 葉型損失逐步降低， 在D/Dk=1.3 處葉型損失相對最低。 整體上馬赫數在0.3～0.8 變化時， 隨著馬赫數的增加， 葉型損失逐漸降低；

（3）二維計算和試驗所得趨勢基本一致， 驗證了該軟件的準確性， 對指導后續葉型設計具有很強的實用性。