弧形端壁造型对不带冠涡轮气动性能的影响

此达到控制叶顶泄漏和提高气动性能是十分必要的。 由 于 间 隙 泄 漏 对 涡 轮 流 动 损 失 影 响 很 大 ，通 过
对 间 隙 泄 漏 机 理 的 研 究 和 理 解 ，人 们 运 用 越 来 越 多 的措施来控制由叶顶泄漏流动所引起的掺混损失。 运用比较多的方法是通过改变叶顶结构来减小间隙 泄 漏 流 动 ，比 如 凹 槽 叶 顶［2，3］，肋 条 叶 顶［4］，叶 尖 小 翼［5］ 等。另外一种明显改善间隙泄漏损失的办法就是机 匣端壁造型。
面 做 的 研 究 还 不 是 很 多 ，所 以 本 文 作 者 选 择 对 端 壁 进 行 改 型 ，试 图 对 改 型 后 叶 顶 间 隙 流 动 和 涡 轮 整 体 性能做出分析。
本 文 研 究 E3 高 压 级 第 一 级 动 叶 ，通 过 改 变 机 匣 端 壁 ，研 究 多 种 弧 形 端 壁 造 型 ，利 用 数 值 计 算 的 方 法 分 析 造 型 下 对 叶 栅 顶 部 间 隙 流 动 、叶 顶 及 间 隙 吸 力 侧 静 压 系 数 、出 口 总 压 系 数 、出 口 气 流 角 分 布 以 及 涡 轮整体性能等的影响。最后分析了在变工况下最优 端壁造型对叶片间隙流动和涡轮气动性能的影响。
Dieter bohn E 等 ［16］ 通 过 偏 心 弧 形 端 壁 造 型 和 减 缩型端壁造型的方法来研究涡轮的间隙泄漏流动， 这 样 的 设 计 使 得 流 道 面 积 最 小 ，在 前 缘 位 置 使 气 流 减 速 ，这 样 转 子 叶 片 趋 近 于 后 加 载 叶 片 ，推 迟 了 泄 漏 涡 的 形 成 ，减 弱 了 叶 顶 二 次 流 损 失 。 实 验 结 果 和 数 值 模 拟 结 果 表 明 ，适 当 地 轴 对 称 端 壁 造 型 可 以 提 高 涡 轮 效 率 ，改 善 间 隙 内 泄 漏 流 动 状 况 。 国 内 在 这 方
* 收稿日期：2013-06-28；修订日期：2013-09-22。 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 （HEUCF130310）。 作者简介：查小晖 （1990—），男，硕士生，研究领域为叶轮机械气动热力学。E-mail：734896517@
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推进技术
2014 年
Key words：Turbine；Tip leakage； Endwall contouring；Arc
1引言
涡 轮 机 械 中 ，由 于 要 在 动 叶 顶 部 和 机 匣 之 间 留 有 适 当 的 余 度 ，从 而 造 成 了 间 隙 流 动 。 涡 轮 动 叶 的 叶 顶 泄 漏 损 失 不 仅 仅 会 降 低 顶 部 叶 片 载 荷 ，同 时 产
Effects of Arcing Endwall Contouring on Aerodynamic Performances of an Unshrouded Axial Turbine
ZHA Xiao-hui，ZHENG Qun，GAO Jie，WANG Wei，YU Lei，LIU Peng
Praisner［13］，Knezevici 等 ［14］ 采 用 非 对 称 端 壁 造 型 减 小 通 道 内 压 力 梯 度 ，减 弱 了 流 道 内 切 向 二 次 流 强 度 ，降 低 了 湍 流 动 能 ，减 少 了 通 道 涡 强 度 。 Rao 等 ［15］ 通过增加机匣内表面粗糙度的方法来削弱间隙泄漏 流 动 。 实 验 结 果 显 示 ，增 加 机 匣 内 表 面 粗 糙 度 减 小 了 间 隙 泄 漏 流 量 ，使 得 间 隙 泄 漏 涡 涡 心 区 域 的 动 量 减 小 ，加 速 了 间 隙 泄 漏 涡 的 能 量 耗 散 ，同 时 泄 漏 涡 与 通道涡之间的剪切作用也大约减弱了 15%。
b a
b a
c
c
(a) Plain
(b) Arc
(c) Optimized arc
Fig. 1 Endwall contours
通过以上的定义在表 1给出了不同算例的数值， 确 定 出 不 同 的 端 壁 造 型 ，从 而 得 到 一 个 最 优 的 端 壁 造 型 方 式 。 其 中 Case1 表 示 的 是 原 型 机 匣 ，后 续 算 例 都是与原型进行对比。
数值模拟网格采用 Numeca-Autogrid 5 六面体结 构化网格，采用计算流体力学软件 ANSYS CFX 13.0， 求 解 定 常 可 压 缩 雷 诺 时 均 Navier- Stokes 方 程 组 ，借 助有限体积法离散控制方程以及标准 k-w 两方程湍 流 模 型 封 闭 方 程 组 ，总 体 求 解 精 度 为 二 阶 。 离 散 格 式 为 计 算 流 体 力 学 软 件 CFX 的“ 高 精 度 ”格 式 ，忽 略 壁面传热影响。计算收敛标准设置为残差小于 10-5
摘 要： 采用商用计算流体力学软件 CFX，湍流模型采用标准 k - w 两方程湍流模型，叶型为单涡
轮动叶叶片，应用数值模拟方法研究了弧形端壁造型对动叶泄漏流动及涡轮气动性能的影响。数值研究
结果表明：适当优化的弧形端壁造型可以改善泄漏涡和通道涡作用状况、提高出口总压和改善气流角分
布、降低叶顶间隙泄漏和提高效率。最优端壁造型可以减少间隙泄漏 0.27%，提高效率 0.77%。在变攻
生 了 泄 漏 涡 ，对 涡 轮 的 气 动 参 数 产 生 了 重 大 改 变 ，而 且 这 种 改 变 是 不 利 的 ，导 致 动 叶 上 非 流 动 损 失 增 加 ， 降低了涡轮效率。涡轮中大约有三分之一的流动损 失 是 由 叶 顶 间 隙 泄 漏 流 动 引 起 的［1］，因 此 ，对 叶 顶 泄 漏 机 理 进 行 研 究 ，通 过 改 变 叶 顶 结 构 和 机 匣 造 型 以
2014 年 6 月 第 35 卷 第 6 期
推进技术
JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY
Jun. 2014 Vol.35 No.6
弧形端壁造型对不带冠涡轮气动性能的影响 *
查小晖，郑 群，高 杰，王 威，于 雷，刘 鹏
（哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院 ，黑龙江 哈尔滨 150001）
（College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）
Abstract：CFX simulations were performed by solving steady compressible Reynolds-averaged N-S equa⁃ tions in conjunction with the standard k - w two-equation turbulence model adopted in this study. The blade calcu⁃ lated was a rotor blade in a gas turbine. The numerical simulation was performed to investigate the effects of arc⁃ ing endwall contouring on blade aerodynamic performances and tip leakage flow. The results show that the arcing endwall contouring can weaken passage vortex and tip leakage vortex，improve the flow angle condition，reduce the mass flow of tip leakage flow，raise outlet total pressure and the efficiency of the turbine．The optimized arc⁃ ing endwall contouring reduces the blade tip leakage flow by 0.27% and increases the turbine efficiency by 0.77% compared with original turbine. The optimized arcing endwall contouring provides the largest efficiency increase when the inlet flow direction incidence is at the design incidence. When incidence change becomes larger，the blade tip leakage flow becomes smaller.
2 计算模型、计算方法、涡轮端壁及叶顶结构
如图 1所示给出了典型的机匣端壁结构。其中 图 1（a）是 原 型 机 匣 端 壁 结 构 ，左 边 为 叶 片 前 缘 位 置 ， 右 边 为 叶 片 后 缘 位 置 ，图 1（b）是 轴 向 间 隙 内 弧 形 端 壁 造 型 ，在 叶 顶 轴 向 间 隙 对 应 的 区 域 采 用 部 分 弧 形 机 匣 处 理 ，弧 形 部 分 机 匣 轴 向 距 离 为 20mm，弧 形 机 匣 最 高 轴 向 位 置 处 于 相 应 轴 向 弦 长 位 置 的 中 间 ，通 过改变 a的大小来改变弧形机匣的纵向高度。而图 1 （c）是 完 全 弧 形 端 壁 造 型 ，其 中 弧 形 机 匣 轴 向 距 离 为 40mm，其 中 c 为 5.7mm，如 图 中 b 所 示 ，通 过 改 变 b 的 大小来改变弧形轴向最高点的位置，改变 a 的大小来 改变弧形机匣的纵向高度。机匣端壁改型保持涡轮 叶 顶 与 机 匣 间 隙 大 小 保 持 恒 定 ，这 能 保 证 改 型 的 准 确性。
T hom as［9］通 过 试 验 研 究 发 现 ，端 壁 处 理 可 以 减 弱 端 壁 热 负 荷 30% ，使 得 时 间 平 均 热 流 量 下 降 50% 。 Bohn 则 ［10~12］ 是 采 用 不 规 则 机 匣 来 控 制 叶 顶 间 隙 流 动。他将动叶叶顶对应的端壁部分采用逐渐增大半 径 的 方 法 ，在 动 叶 前 缘 采 用 最 小 半 径 ，到 尾 缘 位 置 端 壁 半 径 达 到 最 大 ，在 每 一 级 都 是 采 用 这 种 设 计 ，这 样 减 少 了 间 隙 泄 漏 ，提 高 了 出 口 总 压 ，减 少 了 压 差 ，提 高了效率。