汽轮机动叶栅顶部泄漏流的大涡模拟.pdf

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1、第4l卷第1期化工机械81汽轮机动叶栅顶部泄漏流的大涡模拟4曹丽华”张冬雪胡鹏飞李勇(东北电力大学能源与动力工程学院)摘要为了分析动叶顶部间隙泄漏流的流场特征和涡量变化规律，以某汽轮机为研究对象，采用大涡模拟方法对无围带和有围带动叶顶部的间隙泄漏流动进行研究。结果表明：无围带时，在O．85轴向截面处．叶顶间隙泄漏流在吸力面形成顺时针漩涡，随着时间的变化，泄漏涡经历了发展、退化的周期性过程；有围带时，叶顶间隙泄漏流在尾缘附近形成逆时针的泄漏涡，随着时间的变化，泄漏涡经历了远离尾缘到靠近尾缘的过程，泄漏流对主流的影响呈现了由强到弱再由弱到强的变化规律。关

2、键词汽轮机叶顶间隙泄漏涡大涡模拟中图分类号TQ051．21文献标识码A文章编号0254-6094(2014)01-0081-08轴流式汽轮机的动叶叶顶和汽缸问的径向间隙会引起流体的泄漏流动，这种流动会给汽轮机运行带来很多负面影响，包括通流部分阻塞、引起下游级的不稳定流动及与二次流紧密相关的气动损失等⋯。因此，叶顶间隙泄漏流的研究对改善汽轮机的运行十分重要。国内外许多学者对叶顶间隙泄漏流及其对叶栅流道内的流动特征的影响进行了大量的理论和实验研究。JochenG等对汽轮机动叶围带顶部的泄漏流进行了实验和数值模拟，指出泄漏流引起的损失中，大部分是由于与主流

3、掺混引起的¨。。YamadaK等研究了间隙变化对动、静叶间的相互影响p’41。MailachR等对压缩机动叶顶部的泄漏流进行了实验分析，揭示了叶顶间隙泄漏涡和下级静叶尾迹间周期性的相互作用"1。ChaluvadiVRS等指出在轴流式汽轮机的级中，叶型的变化对非定常流动通道涡的影响冲1。RobertsSK等对叶轮机的直叶栅进行大涡模拟(LES)和实验研究，研究了在一定雷诺数下边界层湍流度的分离和转戾，并把模拟结果和实验结果进行对比，吻合度较好p“。。ZakiTA等对压缩机级内的通道流动用LES模拟方法进行了研究，分析动叶顶部间隙变化对损失产生的影响’1

4、¨12o。YouD等基于LES模拟方法分析了自由湍流过渡对汽轮机叶片的影响，提出了严格定义入口边界条件的重要性¨⋯。YouD等用LES模拟方法研究在一定的雷诺数下，周期性瞬态的尾迹会导致吸力面流动的分离而形成不连续的通道涡’1“。PullanG研究发现对于流动的损失，定常数值模拟出的结果要比非定常模拟出的结果损失少10％¨5

5、。张荻等对典型低压透平叶栅进行了大涡模拟，得出漩涡沿着动叶栅表面向下游输运、破裂及在尾缘处脱落的过程¨6

6、。郭婷婷等对透平叶片冷却流场作了大涡模拟研究，得出对称面的正反涡和垂直面的马蹄涡的两翼周期性脱落形成新的涡¨7’”1。笔者

7、基于Fluent软件，采用k-tosst湍流模型，首先对某300MW汽轮机高压缸第二级进行稳态计算，然后将稳态计算的结果作为LES计算的初始值进行大涡模拟，主要研究随时间的变化无围带和有围带动叶顶部的间隙泄漏涡的形成、结构、涡量分布及变化规律等。1计算模型和数值计算方法1．1亚格子尺度模型大涡模拟数学模型可以表示为：*吉林省科技发展计划资助项目(20t10409)，吉林市科技发展计划资助项目(201030003)和东北电力大学博士基金资助项目(BSJXM一201203)。，t曹丽华，女，1973年10月生，教授。吉林省吉林市，132012。82化工机

8、械2014缸旦Otc戚，+毒c赢弓，一誊+毒卜善)一鬻㈩塑+旦(P五。)=o(2)Otaxj、‘。、77"ii=P“fq—pu。ttj(3)式中i√——张量指标，i√=1，2，3；P——时间平均压强，Pa；t——时间变量，s；M——流体平均速度，m／s；肛——动力粘度，Pa·s；P——流体密度，kg／m3；丁i——亚格子尺度应力。根据Smagorinsky的基本亚格子尺度模型，假定亚格子尺度应力为：丁i一÷fkk6i=一2u。s“(4)V。=(c川郇㈡ij=÷(誊+塑Oxil]，㈤=√嬲。；i(5)式中C。——Smagorinsky常数。选取合适的C

9、。可使大尺度湍动能和亚格子尺度内的湍动能耗散相平衡，此处C。=0．1；．sij——应力张量速率；移。——亚网格尺度的湍动粘度，kg／m2·s；△——过滤尺度；下。。——亚格子尺度各向同性之一。1．2几何模型及边界条件以某300MW汽轮机高压缸第二级作为研究对象，分别对动叶顶部无围带和有围带时的叶顶间隙为1mm的泄漏流动进行数值模拟。图1给出了该级有围带时叶栅通道的网格划分。模型的网格采用结构化六面体网格，在静、动叶的前缘、尾缘进行了局部加密。在动叶顶部定义较小的网格尺寸，保证叶顶间隙的泄漏流场有足够的精度。经过网格无关性验证后，划分的静叶网格数约52

10、万，动叶网格数约83万。该级热力参数和动叶的几何参数如下：入口压力11．77MPa出口压力10．50MPa入