叶顶间隙对涡轮非定常气动性能的影响.pdf

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1、第14卷第12期2014年4月科学技术与工程Vo1．14No．12Apr．20141671—1815(20t4)12—0193—08ScienceTechnologyandEngineering⑥2014Sci．Tech．Engrg．动力技术叶顶间隙对涡轮非定常气动性能的影响杨彤王松涛(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001)摘要为了分析动静干涉条件下叶顶泄漏流动对涡轮气动性能的影响，对某高负荷低压涡轮级进行了不同动叶叶顶间隙下的定常和非定常数流动的值模拟研究。结果表明：叶顶泄漏流动对上游静叶和动叶中、下部区域影响

2、极小，影响范围主要体现在叶顶区域；随着叶顶间隙增加，动叶能量损失增加，且非定常条件下的损失增加比定常条件下大；叶顶泄漏流动对叶顶通道涡的发展和生成具有抑制效果；动静干涉效应对于泄漏涡的生成、发展、运行轨迹以及范围都有影响，且随着叶顶间隙的增加这种影响效果逐渐变得明显。关键词低压涡轮动静干涉叶顶间隙泄漏涡数值模拟中图法分类号TK473．71；文献标志码A叶顶间隙的流动状况是目前非定常流动研究的上游动叶叶顶间隙流动将造成下游静叶85％叶高重点课题之一。转子顶部间隙的流动主要以泄漏流处的压力发生波动。动为主，它是一种复杂的三维黏性流动

3、，不但能够引本文采用数值方法对某高负荷低压涡轮级进行起泄漏损失降低叶轮机械的效率，还能导致堵塞从了三种不同的径向间隙(如表1)的定常和非定常模而影响工作的稳定性¨J。为了更好地了解转子叶拟。研究了转子叶顶间隙变化对涡轮非定常流动的顶间隙真实流动状态以及其影响叶轮机械性能的机影响规律。理，以便在设计中更好地提高叶轮机械的效率以及表1叶顶间隙选取方案工作的稳定性，国内外的工作者做了大量的实验研方案叶顶间隙究和数值模拟工作。10mm(无间隙)其中Yamada等通过对某轴流压气机在失速20．3mm点附近的叶顶间隙流动状况进行研究，揭示了

4、叶顶30．5mm泄漏涡的破碎过程及其在破碎时所表现的非定常特性；Mailach等通过对大叶顶问隙下的泄漏流动进行研究，发现了在压气机失速点附近，由于叶顶泄漏流动的周期性非定常脉动所引起的旋转的不稳定性；Gier等通过对某三级低压涡轮进行数值模拟研究，并通过对不同的损失机理进行分类最后得出了泄漏流与主流掺混损失占总损失的50％，叶顶间隙内流动损失占20％的结论。国内中科院的邓向阳等通过对某低速孤立压气机转子的叶顶问隙流动的非定常流动特征进行研究发现，叶顶泄漏涡和二次泄漏流的压力波动是叶顶区域的主要流动特本文对某高负荷低压涡轮的第一

5、级进行了数值征；中科院的杜鹃等通过数值模拟研究发现叶顶模拟，其几何参数见表2。计算边界条件为进口轴泄漏流动的非定常性只有在较大的叶顶间隙下才会向进气，进口处总温、进口处总压、人口气流角沿叶出现；中船重工704所的李少军等通过研究发现高的曲线如图1～图3所示，其中rre=1064K，P=278170Pa，出口给定中径处静压P=167615Pa，2013年8月12日收到，8月30日修改国家自然科学基金创新研究群体项目(51121004)资助采用简单径向平衡方程。第一作者简介：杨彤(1982一)，男，四川省绵阳市人，博士研究生。数值模

6、拟采用NUMECA系列软件包。计算网研究方向：叶轮机械气动热力学。E—mail：shlsyt@126．tom。格采用IGG／AutoGrid模块生成，计算网格如图4所科学技术与工程14卷1量损失急速地增加，方案3最大能量损失系数接近0．90．18远大于方案1的能量损失系数的最大值。可O8见，随着动叶顶部间隙的增加，泄漏损失将成为叶顶O7的主要损失来源，动静干涉效应则变成次要因素，但O6在叶顶泄漏影响较小的根部和中部区域，动静干涉罢O5效应依然是造成能量损失的主要因素。0．42．3型面压力分布的变化O3图12为各叶顶间隙下动叶50

7、％和98％截面处O2的表面压力系数分布，横坐标为相对轴向弦长，纵坐01标为表面压力系数。在50％截面处，随着叶顶间隙0的增加，压力面前缘和尾缘处压力略微增大，中部略微减小，但总体看来变化不大，可见叶顶间隙的变化图11动叶能量损失系数沿叶高的变化对叶片中部压力面处的影响并不明显。在吸力面要体现在80％叶高以上的区域，且随着叶顶间隙的上，问隙较小的方案2与无间隙存在的方案1在前增大，变化趋势完全不同，其中方案2与无叶顶间隙缘变化趋势几乎保持一致，但在30％弦长至尾缘区存在的方案1变化趋势相似，但在受到漏流动明显域，方案2的压力较方案

8、1有所下降；在间隙较大的影响的95％叶高以上区域时，偏差值大于无间隙存方案3，吸力面前缘和尾缘的压力明显下降，而在在时的值。而在方案3的80％至90％叶高区域上，30％至80％弦长位置，压力反而有所增加，但总体非定常条件下的能量损失相较于定常条件下明显减来看，吸