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)02-0206-06

Numerical simulation of the 3-D unsteady flo w in the last stage of

the steam turbine

Qi 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 by

the 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 Astronautics

February 2005

Vol .31　No .2

DOI :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

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