大膨胀比涡轮机三维非定常数值计算研究

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1、第54卷第6期汽轮机技术Vo1．54No．62012年12月TURBINETECHN0L0GYDec．2012大膨胀比涡轮机三维非定常数值计算研究刘广涛，黄洪雁，王祥锋，颜培刚，韩万金(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001)摘要：采用双时间步长法，对单级膨胀比在30以上的高负荷涡轮机进行三维非定常数值计算，研究了涡轮机内流场的三维非定常流动特性，分析了喷管尾迹对动叶叶栅做功能力的影响。数值计算结果表明，喷管尾迹沿径向有较大差异。动叶叶栅周期性的切割喷管尾迹，引发了动叶表面气动载荷的大范围波动。同时，尾迹片段在

2、动叶流道内部的输运也大幅改变了动叶片中后部吸力侧的静压分布。此外，在动叶流道内存在复杂的波系。关键词：涡轮；大膨胀比；超声速；非定常；数值计算分类号：TK14文献标识码：A文章编号：1001-5884(2012)06-0425-043DUnsteadyNumericalInvestigationonFlowFieldofLargePressureRatioTurbineLIUGuang-tao，HUANGHong-yah，WANGXiang—feng，YANPei—gang，HANWan-jin。(CollegeofEner

3、gyScienceandEngineering，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China)Abstract：A3Dunsteadynumericalinvestigationiscarriedoutonahighloadturbineofwhichsingle~tagepressureratioexceeds30bymeansofdual—timesteppingmethod．Characteristicsofits3Dunsteadyflowfieldayestudied

4、，aswellastheeffectofnozzlewaketowardsrotorsworkingcapacity．Theresultshowsthatnozzlewakevariessignificantlyincircumferentialdirection．Theperiodiccuttingnozzlewakeofrotorsinducesawiderangeofaerodynamicloadfluctuationonthesurfaceofrotors．Meanwhile，transportofnozzlewak

5、epieceinsidetheflowpassagesofrotorschangesthepressuredistributiononthemid-backregionofsuctionsideinagreatleve1．Moreover，acomplexofwavesisidentifiedinthepassages．Keywords：turbine；largepressureratio；supe~oulc；unsteady；numericalsimulation0前言无论是在压气机还是涡轮机中，削减级数已经成为研发人员的

6、努力方向。级数的削减可以显著降低整机质量和制造成本，同时零部件数目的减少也可以大幅提高机组的运行图1数值计算模型可靠性。另一方面，为了满足机组气动性能方面的要求，单级负荷迅速增加。在此技术背景下，高负荷对转涡轮和2数值计算高负荷单级涡轮开始得到科研人员更多的关注。本文针对单级高负荷大膨胀比涡轮机展开了研究。该叶轮机械中，非定常流动的时间尺度跨越很大，小到动类型涡轮机体积小，膨胀比大，负荷高，能流密度大，能满足叶节距周期的数分之一，大到转子旋转周期的数倍。对流场很多特殊工作用途的需要，在国防体系和国民经济中都最精确的模拟，要求

7、非定常计算域必须包含所有的流动空发挥着重要的作用。对该类型涡轮机的内流场进行三维非间。然而，在现有的计算能力下，非定常计算域不可能包定常数值计算，将有助于提高涡轮机气动性能。含所有的叶栅流道。由于本文使用的数值计算模型中喷管与动叶流道之间为整数比(1：4)，所以可以很方便合理的划1算例简介分非定常计算域。非定常计算域包含一个喷管(静子域S)，4个动叶流道(转子域R)以及与之相应的过渡区域(过本文研究的大膨胀比涡轮机采用单级、轴流式、部分进渡域N)和出口延伸段(出口域0)，如图1所示。气、短叶片、冲动级的结构形式。本文使用的数

8、值计算模为了准确的实现静子域s同过渡域N之间的参数传递，型具有以下特点：工质采用过热蒸汽，涡轮机膨胀比为35，喷将过渡域N前表面进行特殊处理，划分为两个面，如图2所管数目与动叶叶栅数目为整数比(1：4)。静叶采用斜切形拉示。深色区域几何形状与斜切形喷管的椭圆形出口完全相同。法尔喷管，动叶采