汽轮机扭叶片叶顶间隙泄漏流动的数值分析.pdf

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1、第43卷第5期化工机械655汽轮机扭叶片叶顶间隙泄漏流动的数值分析扬静‘杨松(长春工程学院)摘要针对莱汽轮机中压级扭叶片进行教值研究。分析了不同叶顶间隙下扭叶片顶部的泄溽流动，并着重研究了扭叶片间隙涡的形成、发展和对汽轮机级性能的影响。研究结果表明：叶片的适当扭转，可使径向压力梯度变缓、根部的反动度增加、顶部的反动度减少，在一定程度上控制了泄漏流动的发展。扭叶片叶顶处的泄漏涡在叶栅通道中是以螺旋状向下游发展的，涡棱的位置随流动逐渐远离吸力面。当叶顶阗隙增大时，泄漏涡强度变大，并且与上通道涡的掺混作用增强，从而导致了更大

2、的流动损失。关键词汽轮机扭叶片叶顶间隙泄满流通道涡中田分类号TQOSt．21文麓标识码A文章编号0254-6094(2016)054)655-06为了提高汽轮机通流部分的流动效率，汽轮机的叶片大部分都采用了扭叶片，以适应气动参数沿叶高变化的情况，有效减小冲角并满足汽轮机级的性能要求。但由于叶顶间隙的存在，叶顶的泄漏流体依然会与通道主流流体掺混，干扰叶栅通道内的正常稳定流动，造成主蒸汽傲功能力降低，影响汽轮机的运行效率。因此有必要了解叶顶泄漏流在扭叶片叶栅通道内的流动状态，从而更好地控制顶部的泄漏流动、降低泄漏损失和掺混

3、损失。近年来，国内外学者围绕叶顶间隙泄漏及其对叶栅流道内的影响进行了一系列理论和试验研究¨’7】，基本揭示了泄漏流动产生的机理和泄漏涡的发展规律。在扭叶片的研究方面，隋永枫等采用人工神经网络和遗传算法对汽轮机低压级扭叶片进行三维优化设计，优化后有效改善了次末级叶根处的流动分离，降低了流道损失哺一。曹丽华等分析了叶顶间隙泄漏流动对叶顶静压、湍动能和叶片表面压力系数等参数的影响一。。胡鹏飞等分析几种不同叶顶间隙下叶顶泄漏流动的规律¨引。FilippoRubeehini等通过数值模拟的方法寻求中压缸通流部分整体优化策略，提出

4、一种能够兼顾级间相互影响的斜置静叶与扭转动叶相结合的优化方案，对提高汽轮机级效率有一定的借鉴意义¨¨。綦蕾等利用三维粘性非定常数值模拟的方法分析汽轮机末级常规扭叶片内部由动静干涉导致非定常流动的规律¨21。宋立明等指出通过优化叶栅型线来改变叶橱的载荷分布可有效提高叶栅的气动性能¨3。。高学林和袁新研究了动、静叶片经过弯扭倾掠等变形后流场的性能变化，指出扭叶片经过合理的优化设计后能够使总压损系数减少0．95％¨4。。柴山等研究了汽轮机扭叶片叶顶间隙引起的汽流激振问题¨引。朱晓峰和袁新通过设计叶型的局部扭转控制叶栅喉部的通

5、流面积来提高汽轮机的级效率¨引。但上述分析中均未考虑叶顶间隙泄漏流动的影响。Cec·COSD等专门研究了扭叶片叶顶损伤造成的间隙变化对泄漏损失和叶栅气动性能的影响Ⅲ。。曹丽华等研究了扭叶片正弯对叶栅通道涡和叶顶间隙泄漏流动的影响¨引。李平等则分析了具有阻尼拉金和叶顶间隙的汽轮机末级流动状况，认为考虑了叶顶间隙泄漏流动和拉金扰流特性后，汽轮机末级效率下降了1．23％，强调了叶顶泄漏损失的重要性¨引。但上述研究却没有给出扭叶片叶顶间隙泄漏流与通道二次涡的相互作用细节和泄漏涡的生成与发展过程。笔者采用数值模拟方法，分析叶片扭

6、转后叶栅通道流场内涡系的变化情况，通过对三维流线、·杨静，女，1979年7月生。讲师。吉林省长春市，130012。656化工机械2016钜静压力系数及通道内的总压损失系数等的分析，研究不同叶顶间隙r下扭叶片顶部泄漏流动的发展变化及其对叶栅通道流场的影响规律。1物理模型和网格划分笔者选取某300MW汽轮机中压级的常规扭叶片，建立物理模型。该级动叶的基本几何参数如下：叶栅节距46．39mm前缘半径2．135mm叶型扭转角4．60展弦比2．02叶片数80叶片高度112．6mm叶片弦长55．04mm轴向弦长49．50mm中径安

7、装角48．69。转速3000r／rain在整个计算域的两个周向边界面上使用周期性边界条件，以节约计算资源、缩短计算时间。计算域的网格采用结构化六面体网格，对叶顶间隙内的网格进行局部加密处理。为了确定网格数对计算结果的影响程度，进行了网格无关性验证。分别选用了约70万、90万、110万、130万、160万网格进行计算，发现在110万到160万网格下计算结果基本不变，因此可以认为超过110万的网格数对计算结果已不再敏感。考虑到计算精度和计算量，笔者采用了静叶流域网格数约27万，动叶流域网格数约45万，间隙流域网格数约48万

8、，总网格数约120万进行计算。叶栅通道的几何模型和网格划分如图1所示。a．时栅通道几何模型h．『“J}备划分图1叶栅通道几何模型和网格示意图2计算方法及边界条件数值模拟选用各向异性的，c．∞SST(剪切应力传输)湍流模型，该模型在近壁处适应能力较好，可有效地捕捉泄漏涡和上通道涡的掺混情况。离散方法采用有限容积法，离散格式选择二阶迎