（动力机械及工程专业论文）透平级叶栅流动性能分析.pdf

哈尔滨：i ：程大学硕士学位论文 摘要 随着现代涡轮向着高负荷方向发展，二次流损失在总损失中所占比重也 越来越大，对叶栅中二次流的研究也一直是叶轮机械领域中的重要课题。叶 栅内部流动结构的分析对于优化三维空间流型以有效控制和减小二次流损失 具有重要的意义。 首先，本文对某型燃气轮机低压涡轮第一级内的三维复杂流动进行了数 值模拟，模拟结果捕捉到了该涡轮级叶栅的内部流的流动细节，展示了这一 真实叶橱的壁面和端壁的二次流流动图谱和三维分离涡结构。通过对叶栅中 的二次流现象和流动损失机理的分析，揭示了该涡轮级叶栅通道内二次流旋 涡结构( 马蹄涡、通道涡、壁角涡、尾迹涡、泄漏涡等) 的演变过程，以及 旋涡结构对损失分布的影响，明确了此涡轮级叶栅的主要损失分布所在。 其次，本文采用数值模拟的方法研究了不同子午端壁型线对涡轮静叶栅 流动性能的影响。上端壁型线采用凹凸相结合的端壁型线具有较小的叶栅总 损失，并能够有效的避免在顶部大扩张角下形成扩压流动和分离，从而改善 了上端部区的流动情况。下端壁采用下凹的端壁型线后，改变了根部区域的 横向和径向压力分布。在横向，减小中部大部分区域的横向压力梯度，并使 得根部载荷向后移动，大大的减缓了附面层在下端壁区的增长，因而也在一 定程度上减小了下端部的横向二次流损失。在径向，根部压力得到了提高， 根部的低压区也远离下端壁，端壁低能流体在径向负压力梯度作_ j 下向中部 迁移，改善了根部区的流动。 本文还通过数值模拟的方法研究了正倾斜、正弯曲、反弯曲、s 型弯曲、 j 型弯曲几种叶片积叠方案对静叶栅流动性能的影响。对于此型叶栅，正弯、 反弯和正倾斜都未能有效的减小叶栅的总损失。相比较而言，j 型弯曲叶片 更适合此型叶栅，可以兼顾叶根和叶顶流动，整体上具有较小的能量损失。 最后，本文还研究了子午端壁型线与径向积叠线的组合设计对流动性能 的影响。上端壁采用优化后的端壁型线后，再通过改变此型叶栅的积叠方式 来进一步改善上端部的流动比较困难，而端壁型线的下凹和正向倾斜的组合 能够进一步减小根部区的损失，特别是下通道涡的强度下降比较明显。在这 种情况下，j 型弯曲与优化子午端壁的组合具有较小的能量损失。 关键词：数值模拟；低压涡轮；二次流；涡系结构；积叠线：子午端壁 一一。 ! 窒尘鎏! ：2 尘：鎏：耋芝兰三 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fm o d e t ah i g h l yl o a d e dt u r b i n e s e c o n d a r yf l o w l o s s e sh a v et a k e nal a r g e rp r o p o r t i o ni nt u r b i n eo v e r a l ll o s s e s t h er e s e a r c ho f s e c o n d a r yf l o wi nc a s c a d eh a sa l w a y sb e e nf i l li m p o r t a n ts u b j e c ti nt h ef i e l do f t u r b o m a c h i n e r y 0 p t i m i z i n g3 df l o wp a t t e r n si nt u r h i n ec a s c a d e si ss i g n i f i c a n tt o c o n t r o la n dr e d u c et h es e c o n d a r yf l o wl o s s e s f i r s t l y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ft h e f i r s ts t a g eo fap o w e rt u r b i n em p e r f o r m e dw i t hat h r e ed i m e n s i o n a lv i s c o u sc o d e t h ef l o wd e t a i l si nt h i st u r b i n e s t a g ea r eo b t a i n e di nt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o n t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t sd i s p l a y t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so f e n d w a l l sa n db l a d os u r f a c e so ft h e s ec a s c a d e sa n dt h e s t r u c t u r e so f t h et h r e ed i m e n s i o n a lf l o wf i e l d si nt h e s ec 8 s c a d e s n l ee v o l u t i o no f t h es e c o n d a r yf l o wv o r t e xs t r u c t u r e si nc a s c a d ep a s s a g e ，i e ，h o r s e s h o ev o r t e x ， p a s s a g ev o r t e x ，e o m c tv o r t e x ，t r a i l i n gv o r t e x ，t i pl e a k a g ev o r t e xe t c ，r r er e v e a l e d b ya n a l y z i n gs e c o n d a r yf l o wp h e n o m e n o na n dl o s sm e c h a n i s m ，a n dt h ee f f e c t so f v o r t e xs t r u c t u r e so nl o s s e sd i s t r i b u t i o na r ea l s os t u d i e d , t h ed i s t r i b u t i o no f p r i m a r y i o s si nt h i st u r b i n ec a s c a d eh a sb e e na l s oc o n i l r m e d s e c o n d l y ，t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tm e r i d i o n a le n d w a l lp r o f i l e s o nf l o w p e r f o r m a n c eo ft h et u r b i n ec a s c a d ea r es t u d i e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t h es h r o u dw h i c hu s e dc o n c a v e - c o n v e xp r o f i l eg a i n st h el o w e s te n e r g yl o s sa n d a v o i d se f f e c t i v e l yt h ef o r m a t i o no fd i f f u s i o nf l o wa n ds e p a r a t i o nw i t ht h eg r e a t d i f f u s e da n g l ec a s i n g ，a n df i n a l l yi m p r o v e st h ef l o wc o n d i t i o nn e a rs h r o u dr e g i o n a f c e ru s i n gc o n c a v ee n d w a l lc o n t o u r i n gf o rh u bp r o f i l e b o t ht h et l a n s v c l $ ea n d r a d i c a lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n sa mi n f l e c t e d t h e1 1 r n s v e r s ep r e s s u r eg r a d i e n to ft h e m a j o r i t yo fm i d d l er e g i o ni sr e d a c o d ，a n dt h er o o tl o a da l s om o v e sd o w n w a r d s w h i c hs l o w e dd o w nt h eb o u n d a r yl a y e rg r o w t hi nt h eh u bn e a r b y ，a n da l s o r e d u c e dc r o s s w i s es e c o n d a r yf l o wl o s si nac e r t a i nd e g r e e i nt h er a d i a ld i r e c t i o n , t h ep l - s u r eo f r o o tr e g i o ni se n h a n c e d ，a n dt h el o w p r e s s u r ea r e aa p o x t sf r o mh u b , 砒t h es s t n et i m e 1 0 we n e r g yf l u i do fh u bn e a r b ym o v et o w a r d sm i s p a nd u et o r a d i a ln e g a t i v ep r e s s u r eg r a d i e n t , w h i c ha l s oi m p r o v e dt h ef l o wo f h u b r e g i o n i nt h i sp a p e r , t h ei n f l u e n c eo nt h ef l o wp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ts t a c k i n g l i n e s , s u c h p o s i t i v el e a n ，p o s i t i v ec u r v e d ，n e g a t i v ec u r v e d ，s - t y p eb l a d e s ，i s 啥尔滨i ：程大学硕十学傅论文 i n v e s t i g a t e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s p o s i t i v el e a n , p o s i t i v eb o w s - t y p e b l a d e sc o u l d n td e c r e a s et h eo v e r a l il o s se f f e c t i v e l yf o rt h i s s t a g ec a s c a d e c o m p a r a t i v e l y , t h ejt y p ec u r v e db l a d ei sm o l es u i t a b l et o t h i st y p ec a s c a d e ， w h i c hi se f f e c t i v et oi m p r o v eb o t ht h eb l a d e - r o o ta n db l a d e - t i pf l o w sa n dh a st h e l o w e s tf l o w1 0 8 $ f i n a l l y ，t h ee f f e e t so ft h ec o m b i n a t i o nd e s i g no fe n d w a l lc o m o u r i n ga n d b l a d es t a c k i n gl i n eo i lf l o wp e r f o r m c ea r ea l s os t u d i e di nt h i sp a p e r a tt h eb a s e o nt h eo p t i m i z e de n d w a l lc o n t o u r i n g ，i ti sd i f f i c u l tt of u r t h e ri m p r o v et h ef l o w n e a rs h r o u dr e g i o l lb yc h a n g i n gt h eb l a d es l a c k i n gt y p e t h u s ，t h ec o m b i n a t i o no f c o n c a v ea th u ba n dp o s i t i v ec u r v e db l a d ec o u l df u r t h e rd e c r e a s et h ee n e r g yl o s so f l o o tr e g i o n ；e s p e c i a l l yt h ei n t e n s i o no f l o wp a s s a g ev o r t e xd e s c e n d so b v i o u s l y i n t h i sc a s e ，t h ec o m b i n a t i o nd e s i g no fo p t i m i z e de n d w a l lc o n t o u r i n ga n djt y p e b l a d eh a st h el o w e s te n e r g y1 0 s s ， k e yw o l d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；l o wp r e s s u r et u r b i n e ；s e c o n d a r yf l o w ； v o r t e xs t r u c t u r e ；s t a c k i n gl i n e ；e n d w a l lc o n t o u r i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 应用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用内容外，本论文不包含任何其他人或集体己公开发表的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到声明的法律结果由 本人承担。 作者( 签字) ：堑整盔整： 日期：聊年岁月 ，o 日 堕尘堡三堡垒兰蝥圭兰堡篁圣 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 随着经济的发展和现代社会的进步，对能源的需求量日益增加，世界上 许多国家面临能源短缺的严重威胁，开发新能源和提商现有能源的利用效率 一直是各国能源部门急需解决的问题。各种形式的叶轮机械现已广泛地应用 于航空、航天、航海、电站、动力交通运输、化工及冶金等工业部门，成为 目前主要的能源设备消耗者。从而，提高这些机械的运行效率不仅可以更充 分地利用有限的能源，提高经济效益，而且还可以减少有害物质的排放，保 护人类赖以生存的环境。因此，积极地致力于提高叶轮机械效率的研究，对 于国民经济和国防建设都具有十分重要的意义a 提高叶轮机械通流部分效率是提高叶轮机械总效率的重要途径之一，叶 轮通流部分效率的大小受到诸如雷诺数、马赫数、进口附面层厚度、叶片的 几倒参数，端壁型线等诸多因素的影响，我们所要掾究的就是各个方面的因 素是如何影响叶栅内部的流动的，在流动机理上不断加深认识，从而找到提 高效率的各种方法。详细研究叶栅流道内复杂的流场结构和损失机理，搞清 这些流动现象的产生和发展规律，对于缩短涡轮设计周期、降低设计风险、 改善涡轮气动性能、探索减小流动二次流损失的新方法及提高叶栅效率都具 有很重要的意义。而要想深入、透彻地了解涡轮内部流场中复杂、细微的流 动结构，除了采用先进的测量技术及流场显示技术进行实验研究外，还要依 靠不断完善的数值方法来实现对涡轮内部流场的数值模拟。 本文的研究目的在于通过对某真实涡轮级时栅的通道内流动损失机理的 清渐认识和研究通流几何参数的改变对叶栅流动性能的影响，来寻求一种能 够减小此型涡轮级叶栅的二次流损失的方法，以提高透平级的效率。 1 2 叶栅二次流旋涡结构的研究概述 叶轮机械内部流场是非常复杂的，其内部流动是粘性、非定常的三维流 动经常遇到的现象有分离、旋转失速、激波与附面层间的相互干扰、激波 与激渡间的相互干扰、激波与涡系同的干扰、喘振、颤振、叶片尾迹区内的 复杂流动、动叶顶隙泄漏流动、叶片排间的相互干扰等，其内部流动就不可 哈尔滨工程大学硕士学位论文 避免地出现二次流动，这些二次流动以各种涡系形式存在。目前己经确定的 涡运动形式有：马蹄涡、通道涡、尾迹涡、泄漏涡、壁角涡和刮削涡等。 二次流，又称为次流、副流。关于二次流，至今无明确和统一的概念。 叶大均和王仲奇教授( 1 9 9 2 ) 指出，所谓叶栅中的二次流，是指实际流动与 理想流动即主流的差异。文献 1 指出，在叶轮机械真实的流动中，气体是以 牯性、可压和非定常的三元流动形式出现的。这种三元流动与我们假想的主 流的差异即被认为是二次流，这种差异造成的损失即为二次流损失所以对 主流的定义的不同，二次流定义自然也就不同。 早在上个世纪五十年代，为了有助于对叶栅内复杂流动的理解，人们就 开始通过理论分析和实验观察等手段对叶栅内的二次流现象进行了大量的研 究，并提出了许多种二次流模型。如早期经典的二次流模型有h a w t h o r n “模 型。到目前为止，最具代表性的二次流模型有l a n g s t o n 模型”1 、s h a r m a 和 b u t l e r 模型、6 0 l d s t e i n 和s p o r e s “1 模型以及w a n gh a l - p i n g 。1 等人提出的 涡系演变模型。1 9 5 5 年h a w t h o r n 根据涡线迁移理论首次给出了经典的二次 流旋涡模型，如图1 1 所示，他将叶栅的二次流旋涡分为通道涡( p a s s a g e v o r t e x ) 、出口丝线涡( t r a i l i n gf i l a m e n tv o r t e x ) 和出口脱落涡( t r a i l i n g s h e d v o r t e x ) 三部分，这种旋涡的计算和分类方法都是在无粘假设下进行的， 没有考虑粘性对流动的影响，显然是不够准确的。1 9 8 0 年l a n g s t o n 提出矩 形涡轮叶栅中马蹄涡两分支和通道涡同步演变的一般模型( 图1 2 ) 。s h a r m a 和b u t l e r 在1 9 8 7 年提出的( 图1 3 ) 模型认为马蹄涡的吸力侧分支围绕着通 道涡，由进口至出口吸力侧分支围绕通道涡转过了两圈半，而不像l a n g s t o n 模型那样附着在吸力面。1 9 8 8 年6 0 l d s t e i n 和s p o r e 根据质量传输结果出了 如图1 4 所示的叶栅涡流模型即马蹄涡吸力面分支位于通道之上，并与通 道涡向下游发展。最新的旋涡模型是1 9 9 5 年w a n g h a i - p i n g 根据多烟线加激 光片显示技术的观测结果提出了一种全新的涡流模式，如图1 5 所示，与以 前提出的各种模型不同之处在于，它基于多涡结构的进口流动向诸多单个涡 演变。即来流端壁边界层在叶栅前缘分离，形成周期变化的涡列式的多涡结 构，当进口涡系进入流道时，多涡结构逐渐演变成单涡流谱。通道内二次流 的主要部分仍然是通道涡，其它涡系包括马蹄涡与角涡对以及由通道祸诱导 的新的与通道涡旋向相反的壁面涡( w a l lv o r t e x ) 。对比以上几种二次流旋 涡模型可以看出，各种模型之间的一个主要区别之处在于马蹄涡吸力面分支 在叶栅通道内的发展趋势及其位置。这是由于该涡的尺寸很小，而且在流线 方向上有较强的伸展，所以旋涡的发展过程难以被准确跟踪到。另外，关于 哈尔滨下程大学硕士学位论文 反向旋转角涡的起始点和数目也有所不同，在所有这些模型中都夸大了旋涡 的旋转，特别是通道涡的旋转数目。由此可见，对叶栅通道内二次流涡系的 演变过程继续进行研究，尤其是合理解释马蹄涡吸力面分支的发展趋势，无 疑将促进整个二次流研究的发展。 图1 3s h a r m a 和b u t l e r 旋涡模型 图1 2l a n g s t o n 旋涡模型 誉誉! fi 墓誊蠹譬 图l4 。g o l d s t e i n 和s p o r e s 旋涡模型 图1 5 w a n gh a l - p i n g 旋涡模型 哈尔滨i 车罕人学硕+ 学位论文 1 3 控制二次流损失的措施研究概述 对叶栅内部流场结构的研究，主要目的是理解低能流体的产生机理和分 布情况，即损失的产生和分布，从而提出相应的减小损失措施。因而，人们 在不断完善二次流旋涡模型的同时，也在如何控制和减小二次流损失方面也 做了大量的工作，并取得了一定的成效。端壁附面层( 由来流附面层和端壁新 生附面层组成) 和叶片附面层罩的不平衡的压力梯度场，是产生二次流的根本 原因，如要减少二次流损失，只要削弱上述二种因素中任一因素，就能取得 成效。至今为止，人们所提出的减少二次流损失方法主要有下列几种： 1 3 ，1 可控涡设计 可控涡设计方法昂早是d o * m a n “1 等在1 9 6 8 年首次提出的。在此之前，涡 轮的设计大都采用等环量设计方法，但当叶片较长或平均反动度较低时，按 等环量设计会使反动度沿叶高的分布极不均匀有时会出现负的反动度，根 部流动恶化，损失增加。通过对通流部分采用可控涡设计技术均化反动度 沿叶高的分布，提高静叶根部压力的同时降低项部静压，同时减小的根部的 流动损失和顶部的漏气损失，可以改善和控制通流部分气流的运动条件，使 动静叶片之间满足较为理想的匹配关系，从整个缴的角度得到满意的热力气 动参数组合，使级有相对优良的级效率。 随着c f d 技术的发展，设计者早已不再局限于自由涡的概念，1 9 8 4 年g 酽1 公司开始研究各种“可控涡”设计概念的发展计划，后来这一计划扩展到在 “可控涡”概念基础上结台了喷嘴的不同切向倾斜方案的一系列“先进涡” 级的设计和试验，这种“先进涡”概念的设计具有以下一些特征：在喷嘴中 采用不同的切向或复合倾斜，使整个级的效率得到显著收益；在不同程度上 使根部反动度增加以改善动叶根部性能，相对于自由涡设计顶部反动度一般 下降以减小项部漏汽损失；在不减小叶片结构强度的条件下减小喷嘴的数量， a b b ，日立“等汽轮机生产商也将这一概念应用到汽轮机喷嘴叶型的设计。 1 3 2 新型叶型 1 后加载叶型 后加载叶型又称为“鱼头叶型”，是仿生叶型的一种，是目前非常先进 的叶型之一。后加载的概念最早是由m a r c h a l 和s i e v e r d i n g “”在7 0 年代术 与8 0 年代初提出来的以区别于以往叶片载荷均匀分布或前部加载的概念。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 念。后部加载叶型是指吸力面上的气流在喉部以前加速，而在喉部以后扩压 的叶型。这种叶片的载荷分布形式不仅可以推迟边界层转捩发生，降低叶塑 掼失，更重要的是它能有效的抑制叶栅通道的二次流，大幅度降低二次流损 失。后加载叶栅在叶片的前半部分压力面和吸力面间的压差很小，气流在根 部和顶部端壁区域的横向流动较弱，二次流的产生比较晚，其强度也被削弱， 在叶片的后半部分叶片的转折和收缩非常迅速，压力面和吸力面之间的压差 也迅速增加，为二次流的产生和发展提供了较强的动力，但是由于此时气流 已经接近叶栅的出口，流程比较短= 次流得不到充分的发展便已经流出叶栅 通道。因此，在后加载叶栅通道中二次流可以得到较好的抑制“”。文献 1 3 对具有后部加载的常规直叶栅和弯曲叶片叶栅进行理论和实验研究指出采 用后部加载叶型，在叶栅大部分轴向弦长范围可以获得良好的三维压力场， 在两端壁上有较小的横向压力梯度，同时具有较好的攻角适应性，与正弯曲 叶栅适当匹配，可进一步优化叶栅中的三维压力场，降低两端壁的横向压力 梯度，在吸力面必须存在逆压梯度的区段形成沿叶高的c 型静压分布，进一 步降低了叶栅二次流动损失。 2 海豚形叶型 图1 6 海豚形叶片与传统叶片型线 在涡轮的短叶棚中，端部损失占了很大的份额。为此，莫斯科动力学院 研制了一种能减小端部损失的海豚形叶片，海豚形叶片通过局部减缓吸力面 的流动和局部加速压力面的流动以减小叶栅流道的横向压力梯度，进而减小 二次流的强度，利用一个小的叶片前缘内切圆半径来减小大圆头对来流的阻 滞作用，减弱气流在叶片头部可能产生的扩压。文献c 1 4 将海豚形叶片和t c l a 型短叶片进行了比较，认为采用海豚形叶片可降低短叶栅的较高的端部 损失，可以有效的改善短叶栅的气动性能，并从机理上说明了海豚型叶栅能 5 堕玺里! 堡垒兰至圭兰些鎏兰 降低端部损失的原因所在。 1 3 3 边界层控制法 这类方法是根据叶片表面及端壁附近附面层的发展特点，对附面层的发 展进行干涉，达到降低损失和提高叶棚效率的目的，其主要手段有：在端壁、 叶片表面加装隔片或在叶片表面进行歼槽的附面层隔离法，利用旋涡对附面 层进行控制的涡控附面层法，附面层的吹、吸气法等。 1 附面层隔离法 附面层隔离法是指在叶片吸力面或端壁上安装隔片或在吸力面上开槽来 抑制二次流的发展，从而降低二次流损失。为控制端壁边界层二次流动， k a w a i “。，c h u n g “。m o o n ”1 等通过实验和数值模拟研究了在端壁边界层的 使用端壁翼刀来抑制马蹄涡压力面分支和通道涡的合并，并测量了尾迹区的 总压损失和速度分布。通过实际观察给出了边界层翼刀的优化值及其位置， 指出边界层翼刀位罨应在叶片中间，高度应为来流边界层厚度的1 3 可减 少2 0 的二次流损失。文献 2 1 对国内外翼刀附面层控制二次流技术的研究 现状做了详细综述。文献 2 2 通过在吸力面沿流向进行开槽束控制了压气机 吸力面的发展和低能流体的径向迁移，减少了叶栅损失，取得了良好的效果。 2 旋涡控制附面层法 通过对压气机叶栅中各种旋涡进行控制和利用是改善压气机性能的一个 重要途径。例如，在叶栅吸力面加装旋涡发生器来减小叶栅二次流损失( 如 图1 7 ) ”1 。 图1 7 吸力面旋涡发生器 3 附面层的吹、吸气技术 附面层的吹气技术是通过外界气源向叶片附面层作补充性供气，也就是 利用其它系统的能量引向气流，通过主流方向的缝隙，沿被绕流表面的切线 方向吹气，以便提高附面层的能量，并在叶片通道内的正压力梯度方向上建 立稳定的流动。附面层抽吸技术是通过叶片或端壁的可渗透表面( 缝隙多孔表 6 哈尔滨i 羊旱人学硕十学位论文 面) 抽吸走一部分低能的流体来达到防止边界层的分离，从而减小损失的目的 “， 1 3 4 叶片的特殊处理 1 前缘修形 涡轮叶栅端部区域的流动性能极大的影响着叶轮机械的性能，为改善这 部分区域的流动特性，提出了修形技术，即在原叶型的基础上修改叶片端部 区域内的几何形状。近年来，通对叶栅自口缘采用不同形状的修形来减小叶栅 通道中二次流损失的研究成为一个热点并被认为是减小二次流损失的 一种比较有前景的手段。 s a u e r ( 2 0 0 1 ) ”等对端壁处的叶片前缘进行了修形，结果表明在端壁区的 前缘泡加强了马蹄涡吸力面分支，该涡的反向旋转使得通道涡变形并远离吸 力面，减小了端部损失近5 0 ，同时由于酊缘泡的阻滞作用，来流附面层增 厚3 m 。 b e c z ( 2 0 0 3 ) 。“等对某大折转角低展弦比叶片做了3 种端壁修形，如图1 8 所示，小前缘泡，圆角修形均使面积平均损失降低了8 ，而大的缘泡导致了 总损失略有增加。随后实验”也证实了这一结论，并还指出圆角修形在减小 总损失的同时也使得叶棚的负荷有所下降，而前缘泡虽未能降低损失，但增 加了叶栅的载荷，应该结合这两种形状的特点来进行修形。 图1 8 三种不同形状的端壁修形图i 9 直线型倒角和凹曲线倒角 s a h a ( 2 0 0 6 ) 等通过数值模拟和实验的方法研究了直线型倒角和圆弧 型倒角( 如图1 9 ) 的流动结构并与不带倒角的情况进行了比较。结果表 明，在叶栅前缘进行倒角后，端壁区域的横向压力梯度和剪切应力减小了， 在前缘倒角附近的气流的偏转角和端壁边界层的流动速度也降低了。另外， 倒角还减弱了前缘马蹄涡的强度，由于端壁边界层的改变，特别是在倒角附 哈尔滨i 。稃人中硕十节付论文 近，通道涡和马蹄涡吸力面分支的总压损失、涡量强度和湍动能都减小了， 从而减小了叶栅通道的二次流损失，而两种不同倒角形状对改善流动没有本 质性的差别。 2 用非光滑叶片 传统观念认为叶型表面越光滑，摩擦阻力就越小，但在7 0 年代前后，有 研究者从某些水生动物中受到启发，例如鲨鱼皮水阻力相当小从而提出了 采用非光滑叶片来减阻的思想，即在原有叶片表面进行特殊的处理( 如流向 微槽、d 型租糟面等) ，使其不光滑以达到减小阻力的目的。 文献 3 5 ， 3 6 研究了流向微槽的减阻，在叶片表面上的流向微槽阻止了 叶片表面上附面层沿流向的增长和分离，改变了叶片表面的流动特性，其原 因主要有：首先由于叶片表面上附面层的发展受到抑制，因此叶栅出口尾流 区内流体离开叶栅尾缘时的分离也必然减弱，从而减弱了尾缘涡。其次是叶 片表面上的流向微槽抑制了附面层的展向发展，因此尾缘涡的生成受到抑制， 造成了尾缘涡在展向的扩展。最后是由于叶片表面上附面层受流向微槽的影 响发生了变化，因此沿叶片表面的压力分布也会改变，这必将改变马蹄涡的 分支在叶栅流道内流动的发展，结果引起通道涡和尾缘涡位置发生穆动。这 种叶片一方面可以减少叶片表面的摩擦损失，另一方面可以减少附面层的分 离，在叶栅流道内及叶栅出口处的损失，从而达到减少叶型损失和尾迹损失 的效果。 1 3 5 非定常涡流的利用和控制 鸟类和昆虫在飞行中通过振动、扑动和摇摆翅膀等方式获得了高升力。 为了模拟它们的翅膀的运动，有人进行了振动翼型的实验。实验结果表明， 大振幅的高频振动翼型上产生惊人高升力的原因是由于非定常分离流与涡流 之自j 的干扰，即动升力来源于非定常分离流与涡流干扰所产生的强烈的涡升 力。此外，非定常驱动分离流也是一种主动控制分离的有效手段，它通过 强迫的方法驱动分离的流动。 文献 3 8 通过在二维扩压叶栅日f 缘施加周期性吹吸气，详细研究了非定 常激励频率、激励幅值、激励位置对非定常分离流场的影响，结果表明满足 一定的非定常激励能够使流动由无序变为有序时均气动性能提高。 1 3 6 端壁成型技术 涡轮设计者习惯于把涡轮的设计分为子午流道设计、叶型设计和侧型面 哈尔滨1 辟人学硕十学伊论文 设计等，子午流道没计虽然是在二维平面上完成的，但它却对三维流动产生 非常大的影响。因为子午流道的收缩与扩张会引起附面层的明显变化，这既 影响流道中涡系结构的发展，又改变了近壁区周向压力梯度的变化。目自端 壁成型技术主要有子午收缩、子午扩张以及三维端壁成型等几种手段。 1 子午收缩 早在1 9 6 0 年d e i c h ”1 就提出将叶栅喉部之后的上端壁采用逐渐收缩的方 法来减4 - - 次流损失，使得一低展弦比叶栅的效率提高了1 5 ，这种子午收 缩的方法使得叶栅出口附近扩压段的分离减少，气流加速，也减小了叶栅流 道表面边界层的增厚从而降低了叶栅二次流损失。这种子午收缩的端壁现 己广泛运用于高压级汽轮机的调节级的设计1 。 2 子午扩张 对于大多数的低压透平而言，子午收缩的端壁并不一定适用，因为低压 透平普遍具有子午扩张的特点。d u d e n ”“等对一套扩散型外端壁的矩形动叶 栅进行了重新设计，同时使用了三维叶型和端壁型线( 图1 1 0 所示) ，井详细 考察了叶型、叶型径向积叠线和端壁型线的综合影响。从总损失来说，应用 这些优化措施的叶栅，比原叶栅损失降低了2 6 。外端壁设计的主要思路是 减少沿叶型吸力边的径向压力梯度，型线的作用是使出口气流角的偏离减少， 而对损失的影响不大，总损失减少的主要原因是由于叶片复合倾斜与端壁型 线的共同匹配所至。 _ 主 l j ：； i 羹 蠡 图l l o 子午型面 b o h n ( 2 0 0 2 ) 等对带重复级的四级透平进行了数值和试验研究，上端壁 采用了如图1 1 l 所示的圆弧形端壁设计，经试验论证效率提高了约1 ，b o h n 认为端壁的改型使得叶顶处气流在自口缘加速，从而使滞止点向吸力侧移动， 堕尘鎏! ；堡：堡：薹竺窒三 一 降低了冲角，同时由于后部加载叶型的使用，使得叶顶泄漏涡较叶顶通道涡 延迟出现，削弱了它们之间的干涉，从而提高了流场的均匀性和级的效率。 图1 1 l 圆弧形端壁 文献 4 3 采用数值模拟的方法对机l 咀上端壁的扩张线进行优化设计，结 果表明，采用等速度梯度型过渡曲线的叶栅出口能量损失最小，该型线沿流 向的压力梯度分枷比较平缓，对上端壁分离有很好的控制作用。 3 三维端壁成型 近年柬计算流体力学的发展，为设计和优化三维端壁提供了强有力的工 具。三维端壁成型通过减小端壁的周向压力梯度来进一步减小= 次流损失， 成为近年来一个研究的热点，其主要思想为通过采用端壁凹曲率来补偿叶型 吸力面的凸曲率以减小吸力面与压力面之问的横向压力梯度，三维端壁对降 低叶栅二次流损失的显著作用也已经被大量试验所证实。 r o s e ( 1 9 9 4 ) 3 采用非对称端壁来控制叶片尾缘的压力分布，减少了叶栅 出口的峰值压力，从而减少动静叶问的冷却气流的泄漏。他提出了用端壁流 线的曲率来控制压力的思想：收缩的流线使速度增大，压力减小：扩张的流 线使速度减小，压力增大。他使用了在压力侧凸起，吸力侧凹下的非对称端 壁。这样，叶片压力侧的流线是收缩的，压力减小，吸力侧的流线是扩张的， 压力增加，从而减小了叶片出口峰值的压力。i t a r l a n d ”对这种端壁进行了试 验，结果发现这种非对称端壁确实能有效控制流道周向的静压分布。 f l a r t l a n d ( 1 9 9 9 ) “”等研究了非对称端壁对叶栅中的二次流的影响。端壁 的设计采用了“线性设计系统”，在叶片前缘附近压力侧是凸起的，吸力侧 是凹下的。该非对称端壁大大减小了端壁表面的横向压力梯度，二次流损失 减小了3 4 并减小了出口气流角的偏差。 b r e n n a n ( 2 0 0 1 ) ”等研究了非对称端壁在涡轮级中的作用。他们在t r e n t 5 0 0 发动机高压涡轮模型模拟的实验中对静叶和动叶上下端壁都使用了非对 哈尔滨i + 稃人学硕十学付论文 称端壁，端壁的设计方法同上，用c f d 计算得到的缴效率增加了0 4 。同时 他们还发现，叶片两端的负载明显后移，这减少了流道前部叶型损失，但增 加了后部的叶型损失，这一影响局限于1 5 的范围内。 t t a r t l a n d 和b r e n n a n ( 2 0 0 2 ) 1 等在多级条件下研究了非对称端壁的作 用，对t r e n t5 0 0 发动机的中压和高压涡轮模型都使用了非对称端壁，在多 级条件下进行实验，测得中压涡轮级效率增加0 9 0 4 。 h a r t l a n d 和g r e g o r y - s m i t h ( 2 0 0 2 ) ”3 提出了一种更简单的非对称端壁设 计方法，这种非对称端壁设计方法的基本思想是：由于是叶型的弯曲使流道 内产生横向压力梯度，要想采用非对称端壁减小横向压力梯度的大小，端壁 的形状应与叶型的弯曲程度有关，这种方法是根据叶片的吸力面型线来设计 非对称端壁。 n a g e l ( 2 0 0 3 ) ”1 等人对典型的t 1 0 6 叶栅进行了数值优化，图1 1 2 为优化 得到的叶型和端壁形状。在1 5 0 轴向弦长截面上，优化后的叶型比原型的总 压损失减小了2 2 ，二次湍动能减小了6 0 。 图1 1 2t 1 0 6 叶栅优化后的最小损失流道形状 s a h a 和h c h a r y a ( 2 0 0 6 ) 。”采用了文献 4 4 的非对称端壁思想，在保持周 向线不变情况下采用数值的方法研究了不同流向曲线成型的三维端壁对损失 的影响。与直线壁线相比，周向压力梯度减小，出口气流角更接近于中展的 无粘流，在近尾缘出口处通道涡具有更小的尺度，压力损失系数峰值也减小 了1 0 ，质量平均总损失值减小了3 2 。 1 3 7 改变叶片径向积叠线 叶片弯、扭、掠作为一种降低二次流损失的有效手段证被越来越多地应 用于现代先进和涡轮叶片设计中去，取得了较为显著的成效，关于叶片复 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 台倾斜的思想是由我国学者王仲奇教授和前苏联学者费罩波夫在1 9 5 2 年首 先提出。1 9 8 1 年王仲奇教授根据小径高比弯曲叶片环形叶栅的静态吹风实验 和数值计算结果提出了“附面层迁移理论”。即指出叶片周向弯曲以后， 叶片作用于气流的径向力不为零，从而改变了压力沿叶高的分布。使得在叶 片表面，尤其是吸力面上形成了两端压力高，中间压力低的静压分布，即所 谓的c 型压力分布。在此压力梯度作用下。两端部的低能流体被吸入主流区， 被主气流带走，这样就减少了低能流体在两端壁与吸力面组成的角隅处的堆 积，避免了分离的发生减少了能量损失。后来的实验结果还表明“”1 ：叶 片弯曲还可以减小压力面与吸力面在两端的横向压差，从而减弱了两端横向 二次流动。在倾斜叶栅和弯曲叶栅的两个端壁上存在最佳倾斜角或最佳弯角 的概念，即在两个端壁上具有最佳倾斜角的倾斜或弯曲叶片，同时保持跨 叶片截面内的叶型为最佳形状，可有效的改善叶栅的气动性能。k o b a y a s h i ”“ 也提出了最佳积叠角概念，并指出静叶最佳积叠角在1 5 。2 5 。之间，动叶 由于强度的限制，积叠角不宜过大，可选取择在5 。1 5 。之i 日】。 经过几十年的发展，有关弯扭叶的研究工作取得了令人瞩目的成就， 但是对有关弯扭叶片的研究仍在继续。文献 5 8 指出适当地选取弯叶片的积 叠线形状，能减小与气流接触的叶栅表面面积，减小叶栅壁面的摩擦损失， 同时在最佳倾角下，还存在一个最佳积叠线形状。 文献 5 9 指出在导向器叶栅采用不同积叠线形式对导向器叶栅出口截面 上通道涡的位置、强度和尺度以及能量损失的影响是显著的，采用适度的正 弯或正倾斜可降低导向器叶栅的能量损失。 文献 6 0 的研究表明，叶片反弯和i j i 掠可以在叶片压力面上和吸力面上 形成反c 型压力分布，正弯和后掠则形成c 型压力分布。在相同的条件下， 叶片弯曲能够更有效的改变损失分布，从总压损失的大小来看，前掠的反弯 使得损失增加，后掠和正弯减小了总损失。 1 。4 本文的主要工作内容 本文采用三维牯性程序对某型船用燃气轮机的动力涡轮第一级进行了数 值模拟计算，研究了其涡轮级叶栅流道内涡系结构及损失分布情况，并尝试 了通过改变静叶棚几何参数( 子午型线、径向积叠线) 束减小二次流损失。本 文主要工作内容如下： 1 涡轮缴叶栅内部流动结构与损失分析。采用三维粘性程序对该涡轮级 进行数值模拟，计算结果给出了涡轮级叶栅内部的复杂、细微的流动结构， 哈尔滨_ 程大学硕士学位论文 揭示了该涡轮级叶栅通道内二次流旋涡结构( 马蹄涡、通道涡、壁角涡、尾 迹涡、泄漏涡等) 的演变过程，详细分析内了动、静叶损失的形成和分布。 2 研究子午端壁型线对静叶栅流动性能的影响。采用数值模拟的方法研 究了不同子午端壁型线对涡轮静叶栅流动性能的影响，对比分析几种不同的 内外子午型线对叶栅通道内静压分布，出口气流角，总压损失分布及二次流 结构等的影响。 3 研究径向积叠线对静叶栅流动性能的影响。通过数值模拟的方法研究 了正倾斜、正弯曲、反弯曲、s 型弯曲、j 型弯曲几种叶片径向积叠方案对静 叶橱流动性能的影响。 4 研究子午端壁型线与径向积叠线组合设计对流动性能的影响。在应用 优化子午端壁型线的基础上，改变叶片积叠方式，对几种组合方案进行了数 值模拟，并比较分析了各组合方案对流动性能的影响。 堕垒鋈三矍奎兰至圭茎堡鎏三 2 1 引言 第2 章数值计算方法 目前，仅凭现有的测试设备和手段来了解整个流场的全貌是极其困难的。 由于叶栅通道几何形状复杂，测点的布置比较困难，各种实验设备的探头对 流场的扰动以及其它原因造成的误差不容忽略，给实验研究带来了很大的困 难试验中不可能对流场中所有参数都进行测量，因此所获得的数据难以反 映流动全貌。同时由于试验周期长，费用高，实验条件难以保证与实际工作 条件一致，因此对于复杂流动，采用试验手段进行研究无论从经济性还是从 研究要求角度来说，均具有很大的不足之处。对于高速旋转的动叶栅，流动 可视化实验以及流场内部的测量，难度更大。数值模拟技术在近二十年得到 了飞速发展，叶轮机械内部流动的数值模拟也由二维发展到三维，由求解无 粘势瀛e u l e r 方程发展为直接求解n s 方程，同时所用湍流的模拟方法也由 简单的代数模型逐渐向更为准确实用的双方程模型、雷诺应力模型发展，甚 至对大涡模拟和直接模拟等方法进行尝试。与实验相比，数值计算方法可以 快速地模拟多种工况。获得非常丰富的流动信息，在一定程度上起到“数值 风洞。的作用。当然，数值模拟结果的准确与否依赖于计算流体力