欒忠興，李勇，薛彥光，曹麗華

(1.大港油田濱海熱電廠，天津300280;2.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012)

隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，火電廠所用機組逐漸向大容量高參數(shù)轉變。葉柵中二次流損失在葉柵總損失中所占比例也越來越高，引起可觀的能量損失。上世紀60年代，人們就對葉柵內二次流現(xiàn)象進行研究，并做了大量的實驗來驗證。在國內，相關文獻分析研究了葉柵二次流及渦系的發(fā)展特性，揭示出了葉柵前緣的馬蹄渦、流道內的通道渦現(xiàn)象［1－2］。近年來，相關國外文獻對軸流式葉柵端壁邊界層二次流損失進行了數(shù)值研究［3－5］。這些實驗及數(shù)值研究豐富了二次流旋渦結構，在一定程度上推動了對葉柵內部二次流損失機理的認識。同時，大量研究證明，不同的葉柵幾何類型，其內部渦系結構的發(fā)展形態(tài)和損失部位也存在一定程度上的不同［6］。尤其是在二次流渦系研究方面，像壁角渦、尾跡渦這些小尺度渦很難被捕捉到［7］。因此研究并掌握二次流的形成原因、渦系結構的演變特點對減少葉柵損失及改變葉柵的氣動特性具有重要意義［8］。

本文通過對某汽輪機高壓級帶有一定扭曲度的靜葉柵進行數(shù)值研究，得到了葉柵通道內詳細的三維流場信息。準確的捕捉到了流場內部的壁角渦、尾跡渦等小尺度渦。計算出了葉柵速度場、壓力場的變化情況，以及沿流道總壓損失系數(shù)和靜壓系數(shù)的變化規(guī)律，比較分析了汽流在不同臨界狀態(tài)下的總壓損失系數(shù)、靜壓系數(shù)的變化規(guī)律及渦系的發(fā)展情況。對目前扭曲度葉柵的氣動特性研究及設計具有極大的指導意義。

1 計算方法

1.1 湍流模型

由于k-ε湍流模型不能準確的模擬剪切應力的運輸、回流以及流體的分離現(xiàn)象，因此采用了SST k-ω湍流模型，該模型是基于k-ω模型并結合k-ε雙方程模型而發(fā)展的一個新模型，它的混合功能實現(xiàn)了由邊界層內部使用k-ω模型到邊界層外部使用k-ε雙方程模型的逐漸轉變，對近壁區(qū)的回流、存在逆壓力梯度的分離流能夠精確的預測。

1.2 數(shù)值計算方法

采用有限元的有限體積法，利用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術同時求解動量方程和連續(xù)性方程。這種求解技術克服了傳統(tǒng)算法的假設壓力項、求解運算、修正壓力項的反復迭代過程，其優(yōu)點是計算速度快、穩(wěn)定性好。

1.3 邊界條件

葉柵進口按紊流邊界層1/7冪定律給定速度分布，中心速度約為150 m/s，進口總溫為479℃，出口給定靜壓為10.54 Mpa;壁面給定壁面粗糙度，葉柵周向邊界上采用周期性邊界條件，葉柵型面粗糙度設為1.6 μm，上下端壁設為3.0 μm;進口湍流強度設置Tu=5%;工質選取IAPWS-IF97數(shù)據(jù)庫中的過熱蒸汽。

1.4 幾何模型及計算網(wǎng)格

計算所用幾何模型為某300 MW汽輪機高壓級靜葉柵，葉型具有一定扭曲度，主要幾何參數(shù)如下表所示:

表1 靜葉柵主要幾何數(shù)據(jù)

計算采用結構性六面體HOH型網(wǎng)格，葉型周圍采用O型網(wǎng)格加密技術，葉片上下端壁加入邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為259 524，網(wǎng)格示意圖如圖1所示。

圖1 靜葉柵結構性網(wǎng)格示意圖

2 計算結果分析

2.1 靜葉柵型面及下端壁流線分布

二次流是區(qū)別于主流而定義一種流動，是指在葉柵通道上下端部的附面層內，由于汽流速度相對很小，所產(chǎn)生的離心力不足以抵消從葉柵內弧到背弧產(chǎn)生的橫向壓力差，在橫向壓力差作用下，上下端壁附面層的汽流便從葉柵內弧向背弧橫向運動。

圖2 葉柵型面及端壁流線分布圖

圖2說明了在汽道中部，因汽流速度很大，葉片內弧到背弧的橫向壓力差與離心力相互抵消，沒有引起主流的橫向流動;而在上下端壁的附面層內，汽流速度很小，所產(chǎn)生的離心力不足以抵消內弧到背弧產(chǎn)生的壓力差，產(chǎn)生了汽流的橫向運動。同時，在汽流流過汽道時，在上下端壁上由于蒸汽粘性的存在，形成了一層很薄的附面層，附面層內的粘性力損耗了汽流的動能，從而形成端壁摩擦損失。

圖3清楚的揭示了在葉柵通道內的渦流特性，其中在葉柵前緣處形成的馬蹄渦和壁角渦，上下端壁處由于橫向壓力梯度存在而形成的通道渦，以及內弧和背弧處形成的壁角渦。

壁角渦的形成原因是葉柵背弧附面層的不斷增厚，同時與上下端壁上的橫向來流的附面層相匯合，厚度急劇增加，造成附面層的脫離進而形成方向相反的兩個旋渦，隨后在粘性力的影響下，旋渦被主流帶出葉柵，引起可觀的能量損失。

圖3 靜葉渦流示意圖

圖4 葉柵不同測量截面位置

3.2 沿流向總壓損失系數(shù)、靜壓系數(shù)分布特性

為了更準確的揭示端壁二次流的損失情況以及對流場的影響，引入總壓損失系數(shù)［9］Cpt和靜壓系數(shù)［10］Cps的概念。

式中:Cpt為總壓損失系數(shù)，Pa;Cps為靜壓系數(shù)，Pa;patm為大氣壓，Pa;pot為進口總壓，Pa;pt為流場內各點總壓，Pa;ps為流場內各點靜壓，Pa;ρout為出口汽流按出口截面面積平均密度，kg/m3;uout為出口汽流按出口截面面積平均速度，m/s;ρin為進口汽流按出口截面面積平均密度，kg/m3;uin為進口汽流按出口截面面積平均速度，m/s。

為分析端部二次流在流道內的發(fā)展情況，在葉柵通道內部沿軸向分隔出10個不同的測量截面(如圖4)，其中每個截面對應一個值。

圖5(a)中，從總體趨勢上看，總壓損失系數(shù)沿流向逐漸增大，在背弧面上總壓損失系數(shù)出現(xiàn)先增后減現(xiàn)象;而在內弧處出現(xiàn)先增后減再增現(xiàn)象。

為更好的分析葉柵通道中總壓損失系數(shù)分布情況，結合圖4中的10個截面進行比較分析。在截面3(=0.01)處總壓損失系數(shù)比較小，且內弧損失大于背弧損失。截面3(=0.01)和截面4(=0.15)之間內弧總壓損失系數(shù)出現(xiàn)拐點并開始減小。截面4(=0.15)處背弧和內弧總壓損失系數(shù)相等，在此之后背弧總壓損失系數(shù)開始大于內弧并迅速增加，而后在截面7(=0.75)處達到最大值;而在截面7(=0.75)處，內弧總壓損失系數(shù)由原來的緩慢增長變?yōu)榧彼僭鲩L。

圖5 葉柵總壓損失系數(shù)和靜壓系數(shù)沿流向分布

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有兩方面，一方面是與葉柵型線有關，另一方面是由于在汽道中存在從內弧到背弧的橫向壓力梯度，使得端壁附面層內的低能流體向背弧移動，背弧損失區(qū)增厚。隨著流動向下游發(fā)展，當?shù)湍芰黧w被卷吸到背弧上時，使得上下端壁的低能流體在展向流動并與之發(fā)生相遇、摻混，使背弧附面層驟然增厚，損失增加迅速，在截面7(=0.75)處流體已處在由葉柵喉部向出口運動的過程中，因擴壓作用使得背弧總壓損失系數(shù)也達到最大。在向下游的運動過程中，由于低能流體的橫向流動，在靠近端壁的內弧附近必然會有少量的主流流體進行補償，造成內弧總壓損失系數(shù)的急劇增加。

從圖5(b)中可以看出，靜壓系數(shù)分布曲線與總壓損失系數(shù)分布正好相反，其原因見上述分析。

3.3 不同測量截面總壓損失系數(shù)和汽流角沿葉高分布

影響二次流損失大小的因素有沿葉高不變的葉型損失、沿葉高變化的端部損失，其中最主要的因素是葉柵高度與葉柵弦長的比值大小。因此，對于總壓損失系數(shù)沿葉高變化的研究有一定意義。

圖6 不同測量截面總壓損失系數(shù)沿葉高分布

圖7 不同測量截面汽流角沿葉高分布

圖6為不同測量截面(圖5中定義的)與葉柵背弧交線處總壓損失系數(shù)沿葉高分布規(guī)律，大的總壓損失系數(shù)首先在近壁區(qū)產(chǎn)生，且在上下邊界層有明顯不均勻特性，這主要是由于上下端部邊界層存在粘性作用;隨著流動向下游發(fā)展，總壓損失系數(shù)沿流向方向也在不斷增加，大的總壓損失系數(shù)也沿葉高方向增加并最終向葉柵中部發(fā)展。在截面7(=0.75)處，由于進入擴壓階段，總壓損失系數(shù)在上下端壁處變化劇烈，對整個通道的損失分布產(chǎn)生較大影響。由此可知，在上下端部截面以及葉柵內弧、背弧的總壓損失系數(shù)分布，清晰的說明了附面層內的低能流體所引起的橫向流動、附面層卷起、堆積等流動特性。

圖7為不同測量截面(圖5中定義的)與1/2截距面交線處汽流角沿葉高分布規(guī)律，由圖可知，在每一個截面上，汽流角在中部變化平穩(wěn)，在上下端壁處存在過偏轉和欠偏轉的特性。過偏轉是近壁汽流在上下端壁附近內弧與背弧壓差作用下產(chǎn)生橫向流動的結果，欠偏轉是一部分主流汽體被通道渦卷吸而產(chǎn)生的由葉柵內弧向背弧流動的速度分量，及葉柵背面附近積聚的低能流體對主流的排擠而形成的。

4 結論

(1)在葉柵型面和上下端壁面上加了邊界層，并考慮了壁面粗糙度的影響。用有限體積法和SST k－ω湍流模型模擬靜葉柵通道內存在的復雜流動是有效的，此方法能夠精確的顯示近端壁區(qū)的二次流現(xiàn)象，準確的捕捉到了近壁面區(qū)的渦流特性。

(2)沿葉柵流動方向，總體上總壓損失系數(shù)沿流向逐漸增大，在背弧上總壓損失系數(shù)出現(xiàn)先增后減現(xiàn)象，而在內弧上出現(xiàn)先增后減再增現(xiàn)象;靜壓系數(shù)與之相反。

(3)沿葉高方向，大的總壓損失系數(shù)首先在近壁區(qū)產(chǎn)生，在葉柵流道上下端壁處變化非常明顯，主要是由于附面層內的低能流體所引起的橫向流動、附面層卷起、堆積造成的。

(4)沿葉高方向，汽流角在中部變化平穩(wěn)，在葉柵流道上下端壁區(qū)出現(xiàn)過偏轉和欠偏轉現(xiàn)象。

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