汽轮机末级三维非定常流动数值模拟_綦蕾

收稿日期:2004-06-20　作者简介:綦　蕾(1981-),女,湖南株洲人,博士生,qileil @ .汽轮机末级三维非定常流动数值模拟綦　蕾 郑　宁 程洪贵(北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100083) 摘 要:空冷汽轮机组采用空气作为冷却介质,是一种典型的变工况运行机组.深入了解透平叶片在设计状态和高背压条件下的非定常流动机理,能更好设计空冷汽轮机以及提高叶轮机械的性能和稳定性.主要利用三维粘性非定常数值模拟的方法对设计状态和高背压条件下透平叶片内部的流动进行模拟,并分析了设计状态和高背压条件下非定常流动机理.结果表明,在设计状态动静干涉作用是导致非定常现象产生的主要原因;在高背压条件下动静干涉作用很弱,导致非定常现象不明显.关　键　词:透平;非定常流动;动静干涉中图分类号:V 221文献标识码:A 文章编号:1001-5965(2005)02-0206-06Numerical simulation of the 3-D unsteady flo w in the last stage ofthe steam turbineQi Lei Zheng Ning Cheng Honggui(S c hool of Jet Propulsion ,Beijing University of Aeronautics and Astronautics ,Beijing 100083,China )Abstract :Air cooling steam tur bine uses air as working fluid ,and it works in variable -operating condition .It is important for the design of air cooling steam tur bine and the performance and stability of tur bine to study unsteady flow mechanism in design and off -design state .The flow of turbine in design and off -design state was simulated bythe method of numerical simulation of 3-D viscous flow ,and the flow mechanism in design and off -design state was studed .The results sho w r otor -stator interaction causes unsteady flow in design state ,and the rotor -stator interaction in off -design state is weak ,the unsteady phenomena is not obvious in off -design state .Key words :turbine ;unsteady flow ;rotor -stator interaction 空冷汽轮机组与湿冷汽轮机组相比,具有明显的节约水资源的优势,其不利因素在于空冷汽轮机组低压缸末级的出口背压较高,且随着工作环境的变化,出口背压变化范围较大,末级叶片应力会大幅度变化.当背压高于设计状态接近鼓风状态时,汽轮机组在小容积流量下工作,末级动叶进口的流动存在大负攻角,动叶顶部的负攻角更为明显.大负攻角来流在动叶压力面造成大尺度分离流动,而大尺度分离流动和叶片自身的微幅振动,可能导致叶片气动弹性失稳,甚至发生颤振,造成末级叶片损坏.深入了解透平叶片在高背压条件下的非定常流动机理,并有效地在设计中控制叶片排内流动,减小叶片应力,提高工作效率,对于空冷汽轮机极为重要,对提高叶轮机械的性能和稳定性也具有重要意义.叶轮机械内部的流动本质上是三维非定常复杂流动.在一定的负荷水平下,叶轮机械的效率和稳定工作范围等是衡量其性能好坏的重要指标.效率的高低取决于气流流过叶片通道时损失的大小.非定常作用将直接影响到损失的产生、输运和扩散,并在叶片上产生非定常负荷.叶轮机内非定常流动通常包括2层含义,分别对应2类不同的2005年2月第31卷第2期北京航空航天大学学报Journal of Beijing University of Aeronautics and AstronauticsFebruary 2005Vol .31　No .2DOI :10.13700/j .bh .1001-5965.2005.02.022流动现象[1]:一类是所谓流动失稳现象,即设计时希望避开的不稳定工作状态如旋转失速,喘振,颤振以及流场畸变等;另一类则为广义的流动非定常性,反映流场的动态特征.绝大多数非定常流动是由于各叶片排的周向非均匀流动以及转子静子之间的相对运动所引起.其中第二类非定常流动又分为以下几个方面[2]:①位势作用,即由于转子和静子压力场的相对运动所引起的非定常性,表现为无粘作用,它的影响可以向上、下游相邻叶片排传递,一般在一个栅距(或弦长)之内衰减,在其作用范围之内(轴向间距较小时)引起的非定常效应很明显,它会引起叶片排上、下游周向流场非均匀分布;②尾迹和叶片排之间的相互作用,即转子(静子)叶片的尾迹通过下游静子(转子)时,所产生的非定常压力,表面热交换以及与边界层之间的相互作用,它是非定常流动现象的重要来源之一,它的作用距离比位势流大,可以作用到下游几个弦长距离;③叶轮机级中由于二次流、激波、边界层的变形等引起的三维非定常效应,以及多级环境中存在的Clocking现象;另外,由于不稳定的分离,尾迹涡的脱落,进口畸变,转捩等也是引起非定常流动的因素,它们的存在形成了宽频谱的非定常特性.1　数值方法1.1　计算方法本文数值计算采用NUMECA商用软件,控制方程为非定常雷诺平均N-S方程,空间采用中心差分格式,时间采用二阶迎风格式.同时在非定常计算中采用了隐式双重时间步法.湍流模型采用S-A模型.为加速收敛,计算采用全多重网格方法.1.2　计算网格设置设计状态和非设计状态高背压下(非设计状态)的非定常计算均采用同一计算网格,如图1.网格采用HOH型网格.一个周期通道的网格总数约75万,其中静叶进口段的H型网格数17×33×13,环绕静叶叶片的O型网格数21×33×113;动叶进口段的H型网格数25×33×17,环绕动叶叶片的O型网格数19×33×121,动叶出口段的H型网格数为17×33×29.网格近壁区y+值的大小静叶约为20,动叶约为10.1.3　计算参数设定非定常计算采用Domain Scaling方法,它要求上下游叶片的计算域周向尺寸相等,为此,将静叶和动叶数简化为3:5,同时为了保证叶片堵塞度一致,对静子和转子叶片尺寸均按一定比例进行缩放.计算时一个周期内设定60个物理时间步.动静叶交界面采用超限插值.边界条件进口给定总温、总压和气流角的均匀分布,出口按径向平衡原理给定50%动叶叶高处静压值.初始条件是用定常计算收敛结果作为初场.图1　计算网格2　数值模拟结果及分析2.1　设计状态图2和图3分别为160T～2160T时刻的叶中S1流面熵增云图和静压云图(颜色由深至浅数值大小递增,下同),图中标明了叶片的编号.由图看出,随时间的发展,对于同一编号的动叶,相对静叶的周向位置不断改变,同时熵增和静压分布都相应发生变化,流动随时间呈周期性变化.整个周期的流动过程比较直观地体现了设计点流动的非定常效应.这主要是由叶轮机内流动中常见的动静干涉作用引起的非定常效应.这一非定常效应是由于转子叶片相对静子叶片周向位置发生了改变产生的转子与静子之间的位势作用,以及上游静子叶片尾迹与下游转子叶片的相互作用造成的.2.1.1　静子尾迹对转子的非定常作用从图2看出,静叶尾迹(高熵区域)扫过下游区域,并一直延伸到转子通道内,随着动叶相对于静叶的周向位置改变,下游转子通道中的熵分布也随之变化.从静叶尾迹发展的方向来看,由于静叶和动叶之间的间距较远,静叶尾迹进入动叶通道后,分布已经不很集中,扩散到很大范围,这一熵增区域一直延续到下游转子出口.2.1.2　静子对转子的激波和位势场作用非定常流场中各时刻转子周围的压力场主要受到激波和位势场作用影响.观察图2和图3发现(例如在160T时刻2号转子进口前的区域),在熵分布图中,静叶尾迹扫过下游区域时,在转子207第2期 綦　蕾等:汽轮机末级三维非定常流动数值模拟 图2　设计状态不同时刻叶中S1流面熵增分布图3　设计状态不同时刻叶中S1流面压力系数分布前有一个区域尾迹的发展出现间断,同时在这个区域静压云图显示为明显的高压区,这说明上游静子的位势场对下游转子的非定常作用比较强烈,对流动的影响比尾迹作用要强.此外从图4设计状态动叶叶中压力系数分布对应图3可以发现,转子1的吸、压力面在受静叶位势场作用比较强烈的位置压力梯度相应增加.从图中不同时刻静叶叶中表面压力系数分布图中可以看到,静子叶片后部吸、压力面之间的压力差明显比叶片前部大,静叶是明显的后加载叶型.因为静子叶片后部负荷较大,所以它的位势场对下游转子的非定常作用比较强烈.另外,从图5非定常计算结果160T时刻的叶片根、中、尖相对马赫数分布图可看出,由于汽208北京航空航天大学学报 2005年 a 设计状态静叶叶中b 设计状态动叶叶中图4　设计状态叶中表面压力系数分布流在静子通道内加速程度较大,到静叶出口处已达到超音,同时在静叶尾缘出口处产生了燕尾型的斜激波.燕尾波朝向下游叶栅的分支外尾波作用在下游转子叶片前缘也能产生强烈的非定常气动力.本算例中静叶尾缘出口激波以及静叶位势场是产生转子通道内非定常现象最主要的因素.2.1.3　转子对静子的非定常位势作用从图4的静叶叶中表面压力系数分布看出,只在静叶吸力面尾缘处能够看到较微弱的非定常压力波动,这说明动叶对静叶的位势作用不明显.如图4b 所示,动叶叶片前部的负荷相对较小,转子通道的前部区域周向压力梯度较小,使得转子叶片对上游静子产生的位势作用较小.对非定常流场的分析初步认定,在设计状态非定常流动中,动静干涉的非定常效应较强,其中静叶对动叶的势干扰起主导作用.这是由于设计状态静叶后部的负荷较大,且出口汽流超音造成的.2.2　非设计状态流动分析非设计状态计算结果与设计状态的结果差别较大,计算结果总效率已由设计状态的约0.9降低到接近于零.主要是由于出口背压明显增高,汽a 叶根(10%叶高)b 叶中(50%叶高)c 叶尖(90%叶高)图5　设计状态1 60T 时刻S1流面相对马赫数分布流通过末级通道时膨胀比急剧减小,流动接近鼓风工况,汽流几乎不对叶片做功.另外高背压导致末级动叶进口产生大负攻角,使得动叶靠近压力面处出现大的分离区,给流动带来很大损失.在透平机械内部,转子相对静子叶片的旋转使得转静子叶片之间的相互干涉作用成为导致非定常效应的重要因素.转子叶片中的各个时刻压力场结构受动静干涉中2个非定常作用的影响:一是位势作用,即转、静子之间的压力波的相互作用,二是静叶尾迹作用.转、静子之间的位势作用以及上游静子的尾迹对下游转子通道内流动的影响是引起叶栅通道内部流动非定常效应的一个主要驱动源.以下从动静干涉这几个方面着重分析有大分离情况下的非定常流动.209第2期 綦　蕾等:汽轮机末级三维非定常流动数值模拟2.2.1　转子通道内的旋涡流动当背压升高,末级的落压比减小,轴流速度减小时,动叶处于大负攻角工作状态,汽流在动叶的压力面发生强烈分离.从图6a ～图6c 的流线分布可以看出,在动叶通道中,靠近动叶压力面处有一个顺时针旋转的大分离涡.从动叶通道三维流线可以看出,这个分离涡是一个三维的涡系结构,几乎占据了整个叶高通道.从图6b 和图6c 可以看出,动叶压力面在大负攻角下形成的大的分离涡是在叶片前缘处形成的,分离涡中的汽流沿顺时针方向旋转并向叶尖迁移,并与叶尖处壁面附近的流体掺混后沿主流方向流出.从图7b 动叶叶中表面压力系数分布可以看出,转子通道内的大分离涡已经严重改变了动叶表面的压力分布形式,在压力面受分离涡影响的区域,压力值急剧减小,甚至小于吸力面的压力值,这导致了动叶做功能力减小甚至不做功.a 动叶通道三维流线b动叶压力面流线c 叶中S1流面流线图6　非设计状态流线从计算结果的S1流面流场动画来看,随着动、静叶之间相对位置发生变化,流场的参数分布几乎不变;在S1流面分离区内也没有明显的非定常现象.从图7不同时刻动静叶叶中表面压力系数分布也能明显看到,1 60T ～21 60T 各时刻的压力几乎没有任何波动.在动叶通道中有如此大的分离涡,但在非定常流场中却看不出涡有任何的波动,几乎是原地不动.由于计算中使用的网格数有限,难以捕捉到分离涡的非定常运动.在鼓风状态下,末级的流动分离会向上游发展,波及次末级的流动,末级静子入口来流受上游流动的影响,在径向和周向也会有一定的畸变,而且非定常流动会在多个通道中波动,流动的周期性差.这些对于流动的非定常性都会有一定的影响,其影响的量级还不能准确估计.由于计算区域只包括末级单级的3个静叶通道和下游的5个动叶通道,不是多级整圈的全部叶片通道,可能非定常流动的波动受到限制,没有捕捉到分离涡的非定常现象.a 非设计状态静叶叶中b 非设计状态动叶叶中图7　非设计状态叶中表面压力系数分布2.2.2　静子对转子的势干扰图7a 显示,与设计状态的流动相比,静叶的负荷分布已经发生了明显变化,叶片压力面和吸力面之间的压力差变小,静叶负荷减小,且静叶尾缘处的负荷减小得更加明显,直接导致静叶尾缘处和静叶出口处的压力分布的周向梯度减小,如图8所示.图8显示静叶的出口压力在周向的梯度很小,从压力面到吸力面的周向压力系数的落差最大约为0.1,而图8中在设计状态这个值高210北京航空航天大学学报 2005年达3.另外,由于汽流在静子通道内减压加速程度大大降低,静叶出口汽流为亚音,静叶尾缘出口没有燕尾波产生,因此对下游转子叶片的非定常作用进一步减弱.一般认为,叶轮机械内的动静干涉现象是由于动、静叶相对运动导致的相邻叶片排周向非均匀流场的相互作用引起的.静叶出口的周向压力梯度很小,则动叶旋转掠过静叶出口的周向不均匀压力场所受到的非定常力相应比较弱.据此分析可以理解,为什么在设计状态观察到的由于动静之间相互位置转动引起的较强的静叶对动叶的压力干扰在大负攻角状态变得很小,事实上是由于大负攻角状态下静子叶片的负荷减小造成的.b 非设计状态图8设计状态和非设计状态叶中静叶出口静压沿周向分布a 设计状态 综合以上几方面的因素,可以判断在给定的计算条件下,计算结果所得到的流场是基本合理的.透平叶片在高出口背压下,动叶进口存在大的负攻角,在动叶靠近压力面处造成大尺度分离流动.通过对流动的分析认为,在鼓风状态下,由于静叶载荷较小,动静干涉较弱,在设计状态中表现明显的动静之间相互的压力干涉变得较弱.3　结　论1)通过对低压缸末级的全三维非定常数值模拟,分析了动静干涉对非定常效应的影响,在设计点上,静叶对动叶的势干扰强于动叶对静叶的势干扰动.动、静干涉作用直接导致叶片表面负荷分布的变化,对透平的应力和效率有不可忽视的影响.2)透平叶片排在高出口背压条件下,动叶进口存在大的负攻角,在叶型内部造成大尺度分离流动,这种分离流动几乎占据了整个转子通道,且具有强三维特性,对透平叶片排的负荷分布和级效率都有很大影响,必须加以控制.3)通过对分离流动非定常数值模拟结果的分析认为,由于在高背压条件下载荷减小,静叶出口的周向压力梯度很小,因此动叶旋转掠过静叶出口的周向不均匀压力场所产生的非定常动静干涉作用较弱.受计算条件的限制,分离涡比较稳定,没有体现出流动的非定常效应.4)非设计状态下特殊的非定常现象,给出一种启发,如果能进一步深入理解这种状态下非定常流动产生的条件和机理,对通道中大分离涡的形成和发展加以控制,这对于提高整个叶轮机械的效率,加强流动稳定性都将产生很深远的影响.参考文献(References )[1]徐力平.叶轮机内非定常流动和叶轮机气动力学的实验手段[A ].气动热力学发展战略研讨会专题报告汇编[C ].北京,1989Xu Liping .The experi ment met hod of uns teady flow and aerodynam -ics in turbine [A ].The Special Report Compile of Aerothermodyna -mics Development Strategy Proseminar [C ].Beijing ,1989(in Chi -nese )[2]Eulitz F ,Engel K ,Gebing H .Numerical invers tigation of the clock -ing effects in a multis tage turbine [R ].ASME 96-GT 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