汽轮机叶顶间隙泄漏流动的数值研究.pdf

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1、742化工机械2011钽汽轮机叶顶间隙泄漏流动的数值研究+曹丽华”胡鹏飞李勇周云龙(东北电力大学)摘要采用K·tosst湍流模型，应用SIMPLEC算法对汽轮机叶顶间隙内的泄漏流动进行数值模拟，分析了叶顶间隙泄漏流动对叶顶静压分布、吸力面压力分布、湍动能和叶片表面压力系数的影响。由于叶顶间隙的存在，间隙泄漏流使叶顶静压分布产生波动，在叶片吸力面靠近叶顶处出现低压区．且造成叶片表面压力系数降低。随着间隙高度的增加，上述特征更为明显。关键词汽轮机叶顶间隙叶顶泄漏涡数值模拟中图分类号TQ051．21文献标识码A文章编号0254．6094(2011)06-07

2、42--04为了避免汽轮机中动叶顶部与汽缸壁发生碰磨，需留有一定的间隙，在动叶压力面和吸力面之问压力差的作用下，动叶通道内的部分蒸汽会进入叶顶间隙处，从而形成间隙流动，最后以射流的形式从动叶顶部泄漏到主流通道内，与主流相互作用，形成泄漏涡。泄漏流的存在阻碍了通道内的主流流动，导致主流能量损失增加、汽轮机效率下降，还有可能引起转子失速等恶性问题，严重破坏了汽轮机安全经济稳定的运行。目前关于间隙流动问题的研究主要集中在压气机中⋯，而汽轮机叶片的载荷、转角和叶片厚度都大于压气机叶片的，且汽轮机叶片需承受高温高压，间隙流速大，因此汽轮机叶顶间隙内的流动比压气机

3、中的更为复杂嵋“一。此外，汽轮机设计叶顶间隙较小而且汽缸壁相对运动方向与间隙内蒸汽流动方向相反，很难进行试验测量，因此，对汽轮机叶顶间隙内泄漏流动特性研究的一直是国内外学者的研究热点。岂兴明等¨。讨论了叶顶间隙形态的设计优化问题，优化后的涡轮绝热效率提高了0．395％。许开富等¨。对涡轮级转子的叶顶间隙流场进行了数值模拟，得出间隙流对70％叶高到叶顶位置的流场有明显影响。ZhangYF等_1对跨音速压气机叶顶间隙泄漏流动进行了定常与非定常的研究，得出泄漏流动随时间发展变化的规律。牛茂升等¨’91分析了间隙高度变化和机匣相对运动对涡轮间隙内部流动的影响。

4、李军等¨0’”1对汽轮机动叶不同间隙情况下的间隙泄漏流动进行了分析，可知流动损失会随着间隙的增大而增大。杨佃亮等¨2“41研究了燃气透平中凹槽状叶顶非定常泄漏流动和传热问题，可知定常与非定常的平均传热系数相差很小。笔者通过建立某300MW汽轮机高压级物理模型，应用FLUENT软件对带间隙动叶顶部三维粘性流体的流动情况进行数值模拟，分析了其叶顶间隙对压力分布、蒸汽的三维流动、流场的压力损失和泄漏涡的影响。1物理模型和数值方法1．1物理模型及网格划分笔者所建立的300MW汽轮机物理模型高压级几何尺寸见表1。表1某300MW汽轮机高压级几何尺寸+吉林市科技发

5、展计划资助项目(201030003)和东北电力大学研究生创新基金资助。¨曹丽华，女，1973年10月生，副教授。吉林省吉林市，132012。第38卷第6期化工机械743在GAMBIT中建立叶栅通道及间隙的物理模图1叶栅通道及叶顶间隙物理模型和网格划分1．2数值方法应用FLUENT软件，选择K-O)SSr湍流模型，采用SIMPLEC算法求解压力一速度耦合，对流项选二阶迎风格式。汽轮机旋转转速为3000r／min，静叶与动叶的个数比为1：1，采用旋转周期性边界条件划分出流体区域，动静交界面采用滑移网格技术，叶片表面和上、下端壁面应用无滑移壁面条件，其计算边

6、界条件为：人口温度4708。C、人口压力lO．697MPa、出口压力9．985MPa、叶片转速3000r／rain。介质为过热蒸汽。速度精度为10～，能量精度为10～，平均约为500步收敛。2计算结果及分析2．1叶顶截面静压分布从图2可以看出，叶顶处的静压波动主要出现在动叶吸力面处，主要体现为压力高与压力低间隔的存在，这种现象的产生与静叶片的尾迹不断通过动叶通道有关；由于动叶压力面附近的流体因压差的作用被吸人叶顶间隙时，动叶顶部间隙压力面处形成蒸汽回流在动叶压力面的前缘部分存在压力较低的区域。蒸汽不能像动叶壁面一样做折线运动，因此在壁面转折处会有漩涡生

7、成。回流形成的分离泡，造成蒸汽能量的损失。单付h-薏}i羔：善_嚣雌位：PH-!蓍：誊援=1-蠢静压分布分别比较间隙高度r为l、2mm的静压分布，可知间隙高度为2mm时泄漏流动与通道内主流的干涉更为强烈，造成的损失更大。2．2动叶吸力面处的压力分布由于间隙泄漏涡的存在，导致在动叶吸力面靠近顶部的位置出现低压区域。如图3所示，随着间隙泄漏涡沿着轴向发展，泄漏涡逐渐远离吸力面，与通道内的主流掺混，这时在吸力面靠近叶顶的低压区域也逐渐消失。管圆图3不同间隙下叶片吸力面压力分布比较图3中不同间隙高度时的吸力面压力分布可以看到，当间隙高度为1mm时，泄漏流而产生

8、的低压区域在距动叶前缘2／3个轴向弦长时出现；间隙高度为2mm时，在距动叶前缘1／5处就出现了