进口气流角对某跨音级叶栅影响的数值分析

第53卷第5期2011年10月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0I53NO50CT2011进口气流角对某跨音级叶栅影响的数值分析杨其国，吕智强，胡平金，马波，张宏涛哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046摘要以某型大流量轴流压气机跨音级叶栅为研究对象，采用三维数值模拟方法分析了进口气流角的变化对跨音级叶栅流量特性及内部流场的影响。结果表明，随着进I1气流角的增大，跨音级叶栅流量一效率和流量一压比特性线都向流量减小的方向偏移，并且动叶栅中激波的位置和强度的变化直接决定了跨音级叶栅压比和效率的变化。关键词跨音级叶栅；数值模拟；气流角；激波分类号TK4748文献标识码A文章编号10015884201105032103THENUMERICALSIMULATIONOFTHEINTAKEFLOWANGLESEFFECTSONTHETRANSONICVANECASCADEYANGQIGUO，LVZHIQIANG，HUPINGJIN，MABO，ZHANGHONGTAOHARBINTURBINECOMPANYLIMITED，HARBIN150046，CHINAABSTRACTTHISPAPERFOCUSEDONTRANSONICVANECASCADEOFALARGECAPACITYAXIALCOMPRESSOR，ANALYSEDTHEFLUXCHARACTERISTICANDFLOWFIELDOFTRANSONICVANECASCADEBECAUSEOFTHECHANGEOFINTAKEFLOWANGLEUSINGTHREEDIMENSIONALNUMERICALSIMULATIONTHERESULTSINDICATEDTHATPERFORMANCECURVESOFFLUXEFFICIENCYANDFLUXPRESSURERATIOOFTRANSONICVANECASCADEMOVETOTHEORIENTATIONOFFLUXREDUCINGWITHTHEINCREASINGOFTHEINTAKEFLOWANGLE，ANDTHECHANGEOFLOCATIONANDINTENSITYOFSHOCKWAVESDECIDEDTHECHANGEOFPRESSURERATIOANDEFFICIENCYKEYWORDSTRANSONICVANECASCADE；NUMERICALSIMULATION；FLOWANGLE；SHOCKWAVES0前言燃气轮机广泛应用于动力装置和工业生产，压气机作为燃机的重要组成部分之一，对燃机的性能具有重要的影响。而压气机跨音级的设计水平又很大程度地影响了压气机的性能，所以研究压气机跨音级，无论对于设计新一代压气机，还是改进现有压气机都是非常必要的。迄今为止，已有很多研究者采用实验或数值计算的手段对跨音压气机的内部流场进行了研究I4。随着CFD技术的发展，叶轮机械全三维数值模拟得到了广泛应用J。本文以某型大流量轴流压气机跨音级叶栅为研究对象，针对进口气流角的变化对该跨音级叶栅的流量特性和三维流场特性的影响进行了数值分析，得出该跨音级叶栅压比效率特性随进口气流角的变化规律。1数值方法本文研究方法是采用CFD商用软件FINETURBO对该跨音级叶栅进行三维数值模拟，叶栅流道空间离散网格使用前处理模块IGGAUTOGRID生成，网格拓扑如图1所示，控制靠近壁面的网格加密，保证叶片壁面和端壁第一层网格满足Y3，网格总数237万，经过验证满足网格无关性的要求。NS方程求解器采用FINE模块，对叶栅三维定常流场进行模拟。空间离散差分格式采用具有二阶精度TVD格式辅以矢通量分裂算法，MINMOD限制器控制流场激波间断面附近的数值振荡，时间推进采用4阶RUNGEKUTTA法迭代求解，全多重网格法和局部时间步法加速收敛，湍流模型采用低雷诺数SPALAAALLMARAS模型。动静交界面，采用CONSERVATIVECOUPLINGBYPITCHWISEROW处理交界面上下游网格的插值，保证了交界面流量、动量和能量的守恒。且图1跨音级叶栅网格拓扑2叶栅及边界条件介绍本文研究对象为某型大流量轴流压气机的第一级，为跨音级叶栅，其设计流量在600KGS量级，设计压比在148。为研究该跨音级叶栅气动特性随进口气流角的变化规律，本文分别对进口气流角为逆时针旋转3。、4。、5。和6。4种进口条件进行数值模拟。进I1边界条件给定总压、总温和进口气流收稿日期201012431基金项目国家863计划重型燃气轮机重大项目资助项目编号2008AA05A302。作者简介杨其国1962一，男，天津人，研究员级高级工程师，主要从事汽轮机研制及管理工作。322汽轮机技术第53卷角，出口边界条件给定背压，每个进气角度通过计算不同出口背压边界得到叶栅的流量特性线。3计算结果分析31流量特性分析本文首先分析了进口气流角对跨音级流量特性的影响，图2所示的是通过三维数值模拟得到的不同进口气流角下跨音级叶栅流量一效率、流量一压比、压比一效率的特性线。090085褂080接075070090092094096098L_00102104相对流量4流量效率从图2。流量一效率特性线中可以看出，随着进口气流角的增大，跨音级叶栅流量效率特性线向流量减小的方向偏移，峰值效率逐渐增加。从图2B流量一压比特性线中可以看出，随着进口气流角的增大，流量一压比特性线也是逐渐向流量减小的方向偏移，在相同流量条件下，跨音级叶栅压比随着进口气流角增大而减小；在相同压比条件下，跨音级叶栅流量随着进口气流角增大而减小。从图2C中可以看出，随着进口气流角的增大，压比一流量特性线逐渐向左偏移；在压比相同的条件下，效率随进口气流角的增大而增大。0857LI槲O8O楼IIN3L075IN4IN1I070I，相对流量流量一压比图2不同进口气流角下跨音级叶栅流量一效率、流量一压比、压比一效率的特性线上面分析得到的跨音级叶栅流量一压比特性线的变化化对跨音级叶栅的压比和效率的影响。规律可以通过压气机速度三角形进行定性的分析。图3表1所示的是进口气流角分别为3。和6。时跨音级叶栅所示的是进口气流角增大前后叶栅中气流的速度三角形示在设计流量条件下总性能参数的对比。可见同为没计流量意图。图3O是在相同流量的条件下，假设动叶出口气流时，进口气流角从3。增加到6。，跨音级叶栅总压比降低003，角和轴向速度不变，绝对进口气流角增大时进口速度三角形效率提高2，变化幅度明显。的变化，可见当绝对进口气流角增大时相对进口气流角减表1不同进口气流角在设计流量条件下级性能参数小，那么动叶内部气流折转角减小，因此动叶扩压能力下降、动叶总压比下降；还可以看出，当绝对进口气流角增大时，动叶的冲角减小，由此可知绝对进口气流角较大的压气机当流量增大时将提前进入负冲角工况，使得压气机提前进入阻塞工况。图36是在相同总压比的条件下，假设出口气流角和相对速度的切向分速不变，绝对进口气流角增大时进口速度三角形的变化，由图可见，此时当绝对进口气流角增大，轴向速度明显减小，使得压气机流量降低。绝对气流角实线原始速度三角形声相对气流角虚线角增大后的速度三角形进口气流角增大、流量不变进口气流角增大、相对速度的切向分速不变图3进口气流角增大前后速度三角形对比图通过对跨音级叶栅流量特性线随进口气流角的变化分析，可知随着进口气流角的增大，跨音级叶栅流量一效率和流量一压比特性线都向流量减小的方向偏移；在相同流量条件下，跨音级叶栅压比随着进口气流角增大而减小；在相同压比条件下，跨音级叶栅流量随着进口气流角增大而减小。32三维流场分析下面通过对比进口气流角3。和6。分别在设计流量和设计压比条件下该跨音级叶栅的三维流场特性，分析激波的变图4所示的是进口气流角分别为3。和6。条件下跨音级叶栅在设计流量时动叶吸力面静压分布云图，图5所示的是进口气流角分别为3。和6。条件下跨音级叶栅在设计流量时动静叶吸力面极限流线，从图4和图5中可以看出，6。进口条件相对3。进口条件，动叶栅中的激波位置整体向叶片尾缘方向迁移，因此由激波与附面层干扰所产生的附面层分离范围将减小，动叶栅中激波后的流动情况有所改善，回流区的范围减小，分离损失也将随之减小，因此，在设计流量情况STATICPRESSUREPASTATICPRESSUREPA曲进口气流角3。6进口气流角6。图4设计流量条件下动静叶吸力面静压分布T窨I昌率墩舾U凰啪咖咖咖咖咖208642396汽轮机技术第53卷曲部位车去，并进行了高速动平衡。6月份，大修启动过程中1号轴承过临界振动仍然超标，高中压转子进行了第三次现场动平衡试验，第三次在高中压转子中部加了840G140。，1号轴承过临界振动由268IXM降为206TZM。324号轴承轴瓦紧力调整解决由支撑刚度低引起振动常采用的办法有一是对转子进行精细高速动平衡，降低转子激振力；二是对支撑进行加固，提高其刚度。针对该轴承瓦振大的问题，经讨论决定采取以下方案先对调整轴瓦紧力，调整紧力后，若4号轴承振动仍然超标，再对该转子进行高速动平衡。大修时4号轴承瓦盖对瓦枕是200BM的间隙，停机后将该轴承瓦盖对瓦枕调整为0的间隙，启动后4号轴承瓦振得到明显改善，振动由120M降为70LM，并且随着运行时间延长有减小趋势，所以没有对该转子进行动平衡。337号轴承轴瓦紧力调整及下垫铁松动处理鉴于上述引起7号轴承振动异常的原因，先排除了7号轴承地脚螺栓松动的可能，又由于该机是供热机组，工期要求很紧，现场不具备停机找中心的条件。采取如下方案停机后先对励发联轴器螺栓进行检查，如果螺栓没有松动，对7号轴承进行解体检查；如果螺栓明显松动，将螺栓紧固后若7号轴承振动仍然大，对滑环轴进行动平衡。停机后先对励发联轴器螺栓进行检查，没有发现螺栓存在明显松动。排除螺栓松动后，对7号轴承进行检查，检查发现1瓦盖对瓦枕是200PM的间隙，2下垫铁明显松动。检修人员将瓦盖对瓦枕的紧力调整为801M，对下垫铁进行加固。处理后定速3000RMIN时7号轴承振动最大为36TXM。由7号轴承振动频谱图图5，可知基频及2倍、3倍频等高频振动均较以前明显降低。4结束语11号轴承过临界振动超标且不断恶化的原因是高中MCNEG明N0RMACH哐S瞰D3LRPM29NOV201626O89SRTUP。I，I。1II。II。F。J。II。I。I。I爪OLO015O200频率HZ图5处理后的7号轴承振动频谱图压转子存在较大的一阶不平衡质量和高中压转子发生了弯曲。引起其发生弯曲的原因是动静碰摩和转子残余应力较大。动静碰摩是投产和检修后首次启动高中压转子经常遇到的，所以在启动过程中，要严格控制机组振动，不要强行过临界。转子残余应力大引起的转子弯曲已有多台机组发生。24号轴承瓦振超标的原因是4号轴承刚度太低，导致其固有频率接近工作转速频率，使得4号轴承在工作转速附近发生共振。这是坐落在排汽缸上轴承经常遇到的问题。建议有大修机会时，联系汽轮机厂家，对低压缸进行进行加固。37号轴承振动爬升的原因是轴瓦紧力不足和下垫铁松动。对于可倾瓦轴承，下垫铁松动已发生过多起。检修时一定要加强对轴承下垫铁紧固情况的检查。参考文献1张学延，杨寿敏，张卫军，等汽轮发电机组转子材质缺陷引起的振动问题J中国电力，2010，43538422施维新汽轮发电机组振动及事故M北京中国电力出版社，1998上接第323页4结论本文以某跨音级叶栅为研究对象，采用三维数值模拟的方法分析了进EL气流角的变化对跨音级叶栅流量特性及内部流场的影响，得出该跨音级叶栅流量特性随进口气流角的变化规律，为整机消化研究过程中进口可转导叶摆放角度问题提供参考。根据计算结果的分析，可得出以下结论1随着进口气流角的增大，跨音级叶栅流量一效率和流量一压比特性线都向流量减小的方向偏移，峰值效率逐渐增加；在相同流量条件下，跨音级叶栅压比随着进口气流角增大而减小；在相同压比条件下，跨音级叶栅流量随着进口气流角增大而减小。2在设计流量条件下，跨音级叶栅随着进口气流角的增加动叶栅中激波强度减小，激波位置向尾缘迁移，激波后附面层分离流动改善，级总压比降低，级效率提高。3在设计压比条件下，随着进口气流角的增加，跨音级叶栅流量减小，动叶栅中叶展中部激波位置向尾缘迁移，激波后附面层分离流动改善，总压损失减小，整体效率提高明显。参考文献1任晓栋，顾春伟15级跨音速压气机内部流场数值分析J工程热物理学报，2009，309147214742WANGZHUONUMERICALSTUDYOFA35一STAGEAXIALCOMPRESSORATONANDOFFDESIGNCONDITIONLJ1JOURNALOFAEROSPACEPOWER，2007，2209144_414543STEFANL