四级轴流透平的性能研究.pdf

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1、第52卷第7期V01．52No．7农业装备与车辆工程AGRICUIJTURALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERING2014年7月Julv2014doi：10．3969巧．issn．1673—3142．2014．07．008四级轴流透平的性能研究彭丽娟。刘永启，毛明明，刘瑞祥(255049山东省淄博市山东理工大学交通与车辆工程学院)[摘要]以汉诺威大学四级轴流实验涡轮为对象，利用当今先进的流体数值模拟软件NuMEcA对其不同工况下的内部流场进行了数值模拟，获取同一工况下流场损失分布特点，从而为透平的优化提供理论基础。通过改变涡轮出口背

2、压的方法，画出不同工况下该四级轴流透平的特性曲线，并在特性曲线上获得效率最高点、流量最大值点、流量最小值点。并通过对比获得最大效率点处不同级透平的流场损失分布。利用相同的方法分析同一工况或不同工况下整个四级透平的流场的损失分布。[关键词]轴流透平；NuMEcA；特性曲线；损失分布[中图分类号]TK472[文献标志码]A[文章编号]1673—3142(2014)07一0030—040引言透平的性能优化提供理论基础。燃气透平(涡轮)与压气机、燃烧室成为燃气轮机装置的三大主要部件。轴流式燃气透平由于其容许流过的工质流量大，效率高，因而得到了广泛的应用[1]。

3、多级透平较单级透平可以明显降低每级涡轮的焓降和膨胀比，提高涡轮效率闭。目前，由于流道复杂的结构以及测试仪器的布点困难、测试仪器的精度低、测量参数有限等原因．完全依靠实验的方法得到流道内流场的分布是极其困难的。况且，实验需要的周期较长，费用较高，所以，数值计算模拟得到了充分的发展[4]。国内外涡轮流道内的数值模拟的成果主要集中在叶栅方面，如叶型线，叶栅节距，叶型安装角，冲角，叶尖问隙的影响，可产生叶型损失，端部摩擦损失和二次涡流损失嗍。此外湍流对透平叶栅内部流动影响的数值研究也得到了较大发展[9。1q。本文通过对四级透平的流场进行数值模拟，研究在其同一工

4、况下流道内的损失分布特点，从而为收稿日期：2014一04一022014一05—151数值计算方法本文采用NuMECA商用软件包FINE／Turbo，求解三维定常湍流Navie卜Stokes方程组，网格采用H一0一H型网格，即入口段、出口段采用H型网格，叶片域采用0型网格。湍流模型采用Sparlart—Allamams方程模型，空问差分采用中心差分格式，时间项采用4阶Runge—Kutta法迭代求解。计算采用多重网格方法，结合当地时问步长及隐式残差光顺方法加速收敛。本文所有计算方案都采用3层多重网格，CFL数都取为2。进口给定绝对总压260000Pa、绝

5、对总温413K及工质湍流黏度为10。5m2／s，给定出口面平均静压。固体边界条件为绝热，在计算雷诺数时，特征长度为O．359m，特征速度为280111／s，特征密度为1．2kg／m3。总压损失系数的定义为叼：堕毕丛L，Cg●s．n矗州n

6、l呼羔枷耐篇=lnⅢd。Ⅱmbd～～一一一一～～一一M咖慨一一一一一刚一～蜥一一一～一一～一一一一咖№洳一扎岫一础一一一贼胁蒯汹一斌“脚．蓥栅幽～一一一一一一一～一一一mnm㈣∽舯kkl；旅～～一一一．一一池l量1，hmⅢo[。m=暑凼们小Ⅲ=i篇山瓜枷眺_莒'雪一㈣诎一_雾_雾捌Ⅷ～一一～嗽一一一恻一慨m小‰岫毗龇龇

7、～陋第52卷第7期彭丽娟等：四级轴流透平的性能研究31式中：p。岫。。——静叶入口的总压值，通过取面积分可得p。岫。。=259860Pa；p。血酬——为动叶栅出口总压值；p“——当地的总压值；p——静叶入口平均密度；旷——静叶栅平均速度。2透平特性曲线2．1流量一效率曲线在保证转速为7500r／n·in的条件下．通过调整出口静压获得四级轴流透平的质量效率曲线。见图1。"!：Irl血?Ir，fk一‘l图1透平特性曲线——质量一效率曲线Fig．1Turbinecharacte—sticcurVe——quality—efficiencycurVe从特性曲线中

8、可以看出，随着出口静压的降低，四级轴流透平的质量流量逐渐增大，透平的效率逐渐增加，当出口静压为27200Pa时，效率达到最大值，此时的质量流量为7．234kg／s。此后，随着出口压力的降低，透平的效率将降低，当流量为7．236kg／s时，达到最大质量流量。同时，可以注意到透平的最小质量流量为5．637kg／s。2．2流量膨胀比曲线在保证转速为7500r／n·in的条件下．通过调整出口静压获得四级轴流透平的流量膨胀比曲线。见图2。图2透平特性曲线——质量膨胀比曲线Fi92Turbinecharacteristiccur、，e——qua

9、ityexpans

10、ionratiocur、，e在透平效率最高点处，其膨胀比为5．97。在质量流量的最低点处，其膨