机匣喷气量对涡轮间隙流动控制的影响

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间隙流与主流之间的混合损失, 同时还可以改善叶 顶换热情况。 另外一个比较常见的方法就是喷气, 它能较好 地控制间 隙流动 并同时 能对 叶顶 区域 进行冷 却。 Minoda 采用在机匣不同轴向位置开倾斜孔喷气的 方法来控制间隙流动损失 , 他们认为影响区域可达 50% 叶高, 并且动叶出口相对气流角在 50% ~ 70% 叶高 内 减 小 , 在 70% ~ 100% 叶 高 区 域 内 增 大。 Behr 通过实验测得采用机匣喷气的方法可以减小 间 隙涡 及 上 通 道 涡 尺 寸 , 涡 区 湍 流强 度 减 低 约 25% 。采用适当的喷气位置及喷气量 , 可以提高涡 轮效率。Misco [ 9] 认为机匣喷气可以推 迟间隙涡形 成位置 , 通过间隙的流量可以减小约 11% 。 本文建立苏黎世瑞士联邦工学院的 LISA 1 5 级轴流涡轮[ 10] 的三维流动模型 , 采用数值计算的方 法分析机匣喷气流量对间隙内部流线分布、 动叶出 口截面熵增、 相对出口气流角、 间隙入口速度分布以 及涡轮整体性能的影响。
位置喷气时 , 增大喷气量 , 喷气在间隙内轴向上影响范围 增大 , 对间隙流阻塞作用增加 , 间隙涡出现位置推迟。 同时减小了间隙涡、 上通道涡区熵增 , 尤其是上通道涡区 损失大幅减小 , 并减弱机匣喷气引起的气流偏转不足 / 过偏现象。叶顶压力 面附近由间隙流动引起的低压区减小 , 并向 叶片尾缘移 动。但由于喷 气量增大 使得动 叶输出功率下降 , 使得涡轮效率降低。 关 键 词 : 间隙流动控制 ; 机匣喷气量 ; 间隙涡 ; 通道涡 文献标识码 : A 文章编号 : 1009- 2889( 2009) 03- 0040- 06 中图分类号 : 474 7
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向弦长位置, 每个动叶流道内沿切向均匀分布 10 个 直径为 lmm 的圆孔, 圆孔倾斜角为 = 30#, 方向与叶 片转动方向相反 ( 如图 2) , 喷气量分别为 0 7% 、 1% 主流流量。 流场计算采用 FINE/ Turbo, 流动控制方 程采用 圆柱坐标下的雷诺平均 Navier- Stokes 方程 , 采用有 限体积中心离散方法, 空间项离散采用二阶迎风格 式, 时间离散采用四阶 Runge- Kutta 法 , 网格采用分 块网格 , 间隙区域为独立蝶形网格, 沿高 度分布 21 层网格节点。边界层内垂直壁面方向布置 17 个网 格节点, 壁面第一层网格 Y+ = 0. 5。采用三重网格 方法加速收敛。
第 22 卷 第 3 期 2009 年 9 月
! 燃 气 轮 机 技 术∀ GAS TURBINE TECHNOLOGY
Vol 22 No. 3 Sept. , 2009
机匣喷气量对涡轮间隙流动控制的影响
牛茂升, 臧述升
( 上海交通大学
摘
机械与动力工程学院叶轮机械研究所, 上海
200240)
要 : 采用数值模拟方法研究机匣喷气量大小对涡轮间隙流动控制 的影响。结果 显示 , 在 10% 轴 向弦长位
由相对气流角分布可以看出, 10% 轴向弦长位 置喷气使得间隙涡、 上通道涡区气流偏转不足/ 过偏 现象更加明显, 但喷气量增大时 , 可以减弱对气流的 作用。 2. 3 叶顶静压及间隙入口速度分布 如图 9( a) 所示, 不采用机匣喷气 时, 由于流体 自叶片压力面加速进入间隙, 导致 40% ~ 80% 弦长 内叶顶压力面静压系数大幅下降, 甚至小于吸力面 P - P3 静压系数 ( 静压系数 Cp = , 其中 Pt 0 为入口 Pt 0 - P 3 总压, P 3 为第二列静叶出口静压) 。
图1 机匣喷气机构 ( Behr[ 10] )
图 4 不采取机匣喷气时 , 叶顶流线分布 图 2 机匣喷气切向角度
如图 4, 由叶顶截面的流线分布可以看到 , 在不 采取机匣喷气时, 间隙涡涡核主要是由叶顶靠近叶 片前缘的流体形成的, 涡核形成以后 , 逐渐沿吸力面 弧线向下游移动, 在径向上向叶片根部移动, 切向上 向相邻叶片的压力面移动。叶片中部没有被卷入叶 顶分离涡的流体在流出间隙后, 会围绕间隙涡核旋 转 , 向下游移动, 同时尺度逐渐增大。叶片后部流体 同样会围绕间隙涡旋转。 同时在叶顶 压力面附近约 10% 弦 长位置开始 出现叶顶分离涡, 沿弦长方向尺寸、 强度逐渐增大, 但始终保持在叶片压力面附近, 在叶片尾部由吸力
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计算模型、 计算方法及验证
计算模型采用苏黎世瑞士联邦工学院的 LISA
, 肋 条叶
1 5 级 轴 流 涡 轮, 其 间 隙 高 度 为 1% 叶 高 ( = 0 68mm) , 涡轮装置参数可见文献 [ 10] 。 动叶顶部机匣喷气机构如图 1 所示, 在 10% 轴
尖 。研究发 现, 这些方法可 以在不影响叶 顶静 压分布的情况下减小流量系数 , 减弱间隙流动 , 降低
图 6 不采取机匣喷气时 , 动叶出口截面熵增分布
图 5 10% 轴向弦长位置喷气时 , 叶顶流线分布
喷气量增大为 1% 主流流量时 , 叶片顶部对应 的喷气孔中 , 靠近叶片压力面的喷气孔流体进入间 隙后 , 由叶片压力面流出 , 而叶顶其他喷气孔流体依 然从吸力面流出间隙。由于喷气量增大时, 喷气速 度在切向上的分量增加, 机匣喷气在间隙内轴向上 的影响范围增大 , 喷气孔流体流出间隙的位置向叶 片尾缘移动。 10% 轴向弦长喷气时, 叶片前缘附近由压力面 进入间隙的流体大幅下降 , 尤其是喷气量为 1% 主
现象 , 误差达 2. 1 #。而 S - A 模型能较好地模拟动 叶出口截面二次流径向位置分布, 但稍稍加剧了上 通道涡区的气流过偏现象, 最大偏差仅为 0. 7#。
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计算结果分析
2. 1 间隙内部流线分布 2. 1. 1 不采取机匣喷气 流体在叶片压力面与吸力面静压差作用下加速 进入间隙 , 在间隙内叶顶压力面附近出现叶顶分离 涡以及再附着涡。在流出间隙以后, 受主流及切向 负压力梯度作用而沿着径向往下移动, 同时在叶片 吸力面附面层 径向上移的作用下而卷 起形成间隙 涡。
图 8 10% 轴向弦长位置喷气时, 动叶出口切向平均参数
图 10 10% 轴向位置喷气 0 7% 主流流量时 , 叶顶静压分布
对应叶顶静压系数减小区域 , 间隙入口速度增 大 , 表明该区域是形成间隙流动的主要区域。 如图 10, 10% 轴向弦长位置喷气时 , 叶片前缘 位置静压系数增加 , 尤其是机匣喷气位置附近。叶 片压力面附近 由于间隙流动引起的低 压区范围变 小 , 并向叶片尾缘移动。 在间隙入口速度分布上 , 叶片中部 40% ~ 60% 弦长区域间隙入口速度大幅减小, 后部 60% ~ 85% 弦长区域速度减小幅度不大 , 表明由叶片压力面进 入间隙的流量减小。 随着喷气量增大, 叶片表面静压系数进一步增
湍流模型采用 Spalart - Allmaras 模型 , 进口边界 给定速度方向、 总温、 总压 , 出口采用简单径向平衡 方程给定静压。壁面采用等温无滑移边界条件。 不采取机匣喷气时 , 不同湍流模型定常计算结 果与试验测量值比较见图 3。可以看出 : S- A 模型 及 K但 K模型的轴向速度计算结果与实验吻合较好。 模型结果加剧了上通道涡区气流偏转不足
收稿日期 : 2008- 11- 08 改稿日期 : 2008- 12- 11 基金项目 : 国家重 点基础研究发展计划 ( 2007CB210102) 作者简介 : 牛茂升 ( 1982- ) , 男 , 博士研究生 , 主要从事叶轮机械 中间隙流动研究。
第 3期来自百度文库
机匣喷气量对涡轮间隙流动控制的影响
图 7 10% 轴向弦长位置喷气时 , 动叶出口熵增分布
第 3期
机匣喷气量对涡轮间隙流动控制的影响
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减小, 间隙涡与上通道涡引起的高熵增区分离。动 叶后尾迹区域减小 , 主流区以及下通道涡区总压系 数分布受机匣喷气影响不大。 当喷气量增大时 , 间隙涡变化不大 , 但上通道涡 强度继续减小, 与间隙涡径向距离增大 , 如图 7。 如图 8 所示, 10% 轴向弦长位置喷气可以减小 间隙涡、 上通道涡区熵增 , 尤其是上通道涡区熵增大 幅减小, 最大减幅出现在 75% 叶高位置, 达 16 5% 。机 匣喷气对熵增在径向上的分布可以到达 40% 叶高。 当喷气量增大时 , 二次流区域熵增减小。但在 40% ~ 62% 叶高范围内出现熵增增大现象 , 这可能 是因为机匣喷气使得叶片表面静压改变, 从而影响 叶片表面附面层分布 , 导致熵增变大。
图 9 不采取机匣喷气时 , 叶顶静压与间隙入口速度分布
大 , 压力面附近低压区减弱。叶片中部截面间隙入
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口速度持续下降 , 但叶片后部间隙入口速度基本不 变, 如图 11。
2. 4 涡轮总体性能 如图 12, 不采取机匣喷气时 ( 图中 0 点喷气位 置 ) , 通过间隙的流量占主流流量的 2 721 6% 。 采用机匣喷气后, 由于喷气方向与叶顶间隙流 动方向相反 , 对通过间隙的流体有阻塞作用, 通过间 隙的流量( 不包括机匣喷气进入间隙的流量) 大幅减 少。随着喷气量增大, 喷气速度在切向上分量增大, 对间隙流动的阻塞作用增强 , 间隙流量进一步减小。 最小间隙流 量出现在 10% 轴向弦 长位置喷气 1% 主流流量时, 仅为主流流量的 1 404 6% , 比不采 取机匣喷气时减少了 51 6% 。 Behr [ 5] 认为, 采用 机匣喷气方法对涡轮效率有 两方面的影响 , 一方面是由于机匣喷气方向与动叶 转动方向相反, 使得动叶力矩减小 ! M= ∀ tip mC u ( 其 中∀ tip 是动叶叶顶半径, m 是机匣喷气量 , C u 是机 匣喷气切向速度 ) , 输出功 率下降。如 果喷气量增 加 , 则喷气切向速度增大, 因此动叶力矩减小量与喷 气量的平方成正比, 即 ! M ∃ m 。另一方面是由于 机匣喷气使得动叶通道内二次流损失减少 , 从而会 影响涡轮效率。最终涡轮效率变化就是这两个影响 的平衡, 如果二次流损失减少的影响大于输出功率 减小的影响 , 则涡轮效率增大。 如图 12, 不采取机匣喷气时 ( 图中 0 点喷气位
流量时。 2 2 动叶出口截面 如图 6, 由动叶出口截面上熵增可以看出 : 不采 取机匣喷气时 , 在动叶出口截面上 , 97% 叶高、 71% 叶高、 30% 叶高位置分别出现由间隙涡、 上下通道涡 引起的高熵增区, 其中间隙涡区熵增最大 , 下通道涡 区熵增最小。 10% 轴向弦长位置喷气时 , 间隙涡影响区域基 本不变, 熵增有所降低。同时上通道涡径向方向下 移 , 出现在约 63% 叶高位置 , 涡尺寸及强度大幅度
图 3 动叶出口截面相对气流角、 轴向速度分布
面流出间隙。 在叶片前缘有一 部分流体是从吸力面流入间
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隙, 然后再从吸力面流出 , 在流出间隙后并没有围绕 间隙涡核旋转, 而是向叶片根部移动, 维持在间隙涡 的下方, 这可能是因为小间隙情况下, 由于叶片前缘 静压差较小, 流体没有卷起形成间隙涡。 2. 1. 2 机匣喷气 在 10% 轴向弦长 位置喷气 0 7% 主流流量时 , 叶片顶部对应的喷气孔流体在进入叶顶间隙后 , 受 叶片压力面与吸力面静压差的作用而在叶片中部弦 长位置由叶片吸力面流出间隙, 进入主流通道。主 流通道顶部喷气孔流体会从叶片吸力面进入叶顶间 隙, 然后迅速从吸力面流出。喷气孔流体进入主流 流道后, 受上通道涡作用而伴有较微弱的旋转 , 靠近 相邻叶片吸力面沿径向下移, 有小部分流体卷起形 成间隙涡 , 如图 5( a) 。
涡轮机械中 , 在动叶叶顶和端壁之间会留有尺 度很小的间隙。一部分主流流体在叶片压力面与吸 力面的压差作用下通过该间隙, 形成间隙流动。当 这部分间隙流体流出间隙后受动叶通道内负压力梯 度的作用而沿径向下移, 在叶片吸力面附面层径向 上移的影响下而卷起形成间隙涡。 由于这部分间隙流体没有经历膨胀作功过程 , 从而使得动叶输出功减少。而且流体流出间隙时与 主流之间存在较大角度, 掺混过程使得流动损失增 加。Booth[ 1] 认为, 1% 的间隙相对尺寸会造成 1% ~ 2% 主流流量通过间隙形成间隙流动 , 导致涡轮级效 率下降约 1% ~ 3% 。 由于叶顶分离涡以及再附着现象的存在, 使得 叶顶传热系数急剧增加。Metzger [ 2] 试验测得间隙流 动使得叶顶传热系数增大近 200% 。而且由于摩擦 以及叶顶氧化消蚀现象的影响 , 叶顶间隙高度随涡 轮运行时间增加而逐渐增大。李伟 [ 3] 通过平面叶栅 的试验结果, 发现当间隙高度增加时, 其引起的流动 损失线性增大。 因此必须采取措施来减小间隙流动引 起的损 失, 提高涡轮效率。其中最常见的方法就是改变叶 顶几 何 形 状 , 包 括 翼 梢 小 冀 ( winglet )