冲角变化对涡轮叶栅的气动性能影响数值仿真.pdf

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1、70化工机械2010年冲角变化对涡轮叶栅的气动性能影响数值仿真冯子明+(大庆石油学院)刘洪河(大庆钻探工程公司钻井二公司)姜民政(大庆石油学院)摘要用汽轮机高压级静叶栅作为仿真模型，采用Ansys—CFX作为计算CFD仿真软件，在改变冲角的变工况务件下对叶栅的气动性能进行研究。结果表明，此叶栅具有很好的冲角适应性，可以控制叶栅上下端部的横向串流。能有效抑制二次流的产生舜口减小损失。关键词涡轮冲角数值仿真二次流中图分类号TKl4文献标识码A文章编号0254-6094(2010)01-0070-04汽轮机高压级静叶栅属大功率多级汽轮机中间级组的静叶列，根据凝汽式

2、汽轮机的变工况特点，在变工况下该叶列的降压比、焓降与流动效率与设计工况相比较皆不变。来自上游叶列的气流方向也为某固定值。但是，由于流动是非定常的、三维的以及有粘的，准确预测上游叶列的气流落后角相当困难。此外，上游叶列与本研究叶列存在不可避免的制造与安装误差。这样以来，在实际汽轮机中来流对实验叶栅必然有冲角发生，因此考察实验叶栅的变冲角特性是十分必要的。1仿真模型及边界条件对高压级静叶栅在100、00、一100冲角下进行了数值模拟，仿真模型如图1所示。数值模拟采用Ansys．CFX软件，其中网格由Icem软件包生图1涡轮叶型成。图2为叶栅顶部H、O、I组合计算

3、网格，进口段网格为H形、叶片流道段为O形、出口段为I形网格。仿真边界条件为；进口总压6MPa，进口温度650K，出口静压为5．8MPa，网格节点总数为120万，数值仿真湍流模型为k-6模型。图2S。流面网格2冲角变化对表面静压系数的影响静压系数用C。。表示。图3表示在不同冲角下静压系数沿叶型的分布图，图中分别选取了叶顶、叶展中部和叶根3个截面的静压系数图。由图3可以发现本叶型的后加载特性，即在叶顶0．6相对轴向位置附近处压力差达到最大值，叶根是在0．8相对轴向位置处达到最大值。前后掠叶型都没有改变原型叶片的后部加载特性，冲角变化·冯子明，男，1973年3月生

4、，讲师。黑龙江省大庆市，163318。第37卷第1期化工机械7l后最低压力点没有改变，即在lO。、0。、一10。冲角下最低压力点重合。压力面0．2—1轴向弦长范围内静压系数没有随冲角的变化而变化，3个冲角下的静压系数曲线重合。吸力面上在最低压力点到尾缘范围内的3个冲角下的静压系数曲线基本都是重合的。说明仿真叶片具有大前缘圆径的后加载叶栅的优良特性‘∽1。图3中一10。冲角下静压系数曲线包络的面积最小，叶片在最低压力点之前的横向压力差最小，减弱了横向二次流；O。冲角下次之；10。冲角下最大。a．10％叶高截面b．50％叶高截面c．90％叶高截面图3冲角变化对静

5、压系数沿叶型分布的影响图4为叶片静压系数等值线分布。在吸力面上由于叶型是正弯叶片，在叶片前部静压曲线为图4叶片表面静压系数等值线分布72化工机械2010矩c型压力曲线，这有助于把端壁的低能流体卷吸到主流减小损失¨一J。正冲角时C型压力梯度变小，而在负冲角时压力梯度变大，较大的C型压力梯度有利于减弱上下端壁横向二次流，减小低能附面层的厚度。过了最低压力点后压力梯度变为正的，但是由于叶片为后加载叶片，在正压力梯度下逐渐加厚的附面层还没来得及分离，就达到了尾缘。压力面上静压系数等值线大部分呈现与上下端壁几乎正交的微弱C型曲线。说明压力面上边界层流动差不多都是二维流

6、动，尽管静压系数等值线的弯曲度很小，但仍然有利于从上游流来的边界层低能流体向主流均匀扩散。改变冲角对压力面等值线的分布影响很小。图5表示在3种冲角条件下叶栅出口处节距平均总压损失系数沿着叶展方向的分布比较图。由图5可知，一100冲角下平均总压损失最小，100冲角损失最大。在叶展0．05和0．9相对叶高处总压损失达到最大，负冲角的损失峰值最小，正冲角损失峰值最大。仿真叶片为正弯叶片，图5中上下端部附近出现的损失峰值表明：叶片正弯在一定程度上强化了通道涡，在弯叶片形成的C型压力梯度作用下，通道涡被抬起向叶片中部迁移，使得通道涡能够更加有效地将端部附近的低能流体输

7、运到主流，被主流带走，降低了端壁附近的损失，但是中部损失稍有增加。损失峰值的分布规律是：叶片正弯后，损失峰值向叶片中部迁移。越图5节距平均出口总压系数沿叶展分布图6表示正弯涡轮叶片流道内的三维流线的流动规律，在流道内流线基本沿着叶型曲线流动。在大部分区域内看不到二次流存在，说明仿真叶型具有良好的气动性能，流道内多为二维流动，叶片表面也多为层流，很好地控制了紊流的发生，从而减少了紊流引起的损失。图6叶栅内三维流线3结论仿真叶片的后加载特性具有很好的冲角适应性，在压力面和吸力面的大部分范围内冲角变化没有改变表面的静压分布，但是负冲角能够提高叶片的效率，而正冲角降

8、低了效率。叶片的弯曲可以减弱上下端壁的二次流，使端壁