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(1.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

高壓渦輪動(dòng)葉前緣新型幾何特征對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響研究

王凱1,趙智源2,孫燕平1,羅磊2

(1.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

本文提出一種前緣前伸內(nèi)凹且根部葉片略厚的新型動(dòng)葉片設(shè)計(jì)方法，旨在通過(guò)這種新型葉片控制前緣馬蹄渦的生成和發(fā)展，通過(guò)根部葉片較厚到中間區(qū)域葉片厚度略低的三維設(shè)計(jì)和積疊方法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)葉片的彎葉片效果。論文以某高壓渦輪葉片為研究對(duì)象，從能量損失系數(shù)、型面壓力分布、旋渦沿流向變化對(duì)比分析了新型葉片與原型葉片對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。研究表明葉型前緣新的幾何特征使馬蹄渦得到控制，流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)得到改善。

高壓渦輪;馬蹄渦;彎葉片效果;新葉型;二次流

0 引言

為了進(jìn)一步改善和提高渦輪機(jī)通流部分的效率，長(zhǎng)期以來(lái)各研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)界在降低葉柵流動(dòng)損失方面作了許多努力。葉柵內(nèi)二次流、流動(dòng)分離和旋渦運(yùn)動(dòng)的研究已經(jīng)成為葉輪機(jī)械氣動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要課題[1-2]。為了深入理解這些問(wèn)題，各國(guó)學(xué)者將越來(lái)越多的注意力集中在對(duì)流場(chǎng)特性細(xì)節(jié)的研究上。研究[3-5]表明馬蹄渦系不僅直接影響通道渦的強(qiáng)度及其沿流道的發(fā)展，從而改變?nèi)~柵的作功量和效率，而且還與前緣端壁上局部熱傳導(dǎo)和摩擦有著重要關(guān)系。在對(duì)透平葉柵二次流的研究中，人們對(duì)馬蹄渦系的重要性已逐步認(rèn)識(shí)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王仲奇[6-7]、王松濤[8]等分析研究了彎扭葉片對(duì)鞍點(diǎn)及馬蹄渦的影響，研究表明通過(guò)葉片的傾斜和彎曲及改變前緣大小可以控制馬蹄渦，進(jìn)而影響通道渦的生成和發(fā)展。同時(shí)，在葉片表面靠近根部的位置進(jìn)行抽吸可以有效減小馬蹄渦和二次流對(duì)流動(dòng)的影響[9]。康順[10]等對(duì)馬蹄渦進(jìn)行了深入的研究，研究表明馬蹄渦是由來(lái)流端壁邊界層在葉片前緣的前方分離而形成的。馬蹄渦形成的原因是：在葉柵前緣靠近端壁的區(qū)域內(nèi)不僅存在著壁面粘性對(duì)氣流的阻滯作用和沿流動(dòng)方向的逆壓梯度，而且在葉片的前駐點(diǎn)線附近存在著指向端壁的滯止壓力梯度。若這三個(gè)因素中任意一個(gè)被加強(qiáng)，都會(huì)強(qiáng)化邊界層分離，增大旋渦的環(huán)量，反之，任一因素被削弱，又都會(huì)減小旋渦的強(qiáng)度和尺度，或者在一定條件下甚至可消除該旋渦。因此要控制馬蹄渦，可以通過(guò)控制來(lái)流邊界層，使它減薄，延緩分離，從而減小馬蹄渦的強(qiáng)度和尺度，也可以通過(guò)控制壓力分布，包括減小或者消除流向逆壓梯度和垂直于流向的滯止壓力梯度。韓萬(wàn)金[11]等在1991年給出了修改葉型前緣形狀的方法來(lái)控制馬蹄渦，減弱通道渦，但并沒(méi)有給出具體實(shí)際的運(yùn)用方法。

基于上述討論，本文提出一種新型動(dòng)葉前緣及三維造型方法，其典型特征是前緣前伸內(nèi)凹，根部葉片厚度較大，沿葉高至中間區(qū)域略微降低，一方面通過(guò)前緣修形實(shí)現(xiàn)對(duì)馬蹄渦的控制，另一方面通過(guò)這種三維造型方法使動(dòng)葉片實(shí)現(xiàn)彎葉片效果。

1 新葉型造型及計(jì)算方法

1.1 新葉型造型

新葉型在改型程序中，通過(guò)對(duì)偏移厚度、過(guò)渡長(zhǎng)度、前緣小圓伸出長(zhǎng)度等參數(shù)的變化通過(guò)插值的方法進(jìn)行改型，最終得到新葉型。如圖1所示為新葉型與原始葉型比較。

圖1 新葉型與原始葉型的比較

1.2 新葉型網(wǎng)格劃分方法

圖2 CFX中新葉型網(wǎng)格

2 新葉型與原型計(jì)算及結(jié)果分析

進(jìn)口邊界條件中，由于該研究為高壓渦輪第一級(jí)動(dòng)葉，進(jìn)口參數(shù)不均勻，所以進(jìn)口總壓和總溫均沿葉高分布，出口靜壓沿葉高分布，展弦比為1.013。采用高階差分格式，計(jì)算殘差收斂到1e-8，湍流模型選擇為SST(Shear Stress Transport)模型。

2.1 能量損失系數(shù)分析

衡量能量損失系數(shù)的公式如式(1)所示，利用此公式算出能量損失系數(shù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。

按式(1)進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)果如表1所示。

(1)

T2——葉柵出口靜溫；

從指稱(chēng)典故本身的典故詞本義而言，應(yīng)該是一典一源的，每個(gè)源的具體內(nèi)容不同，所指當(dāng)然也不同。但不同的典故可能具有相同的喻義或引申義，所以也存在把幾個(gè)類(lèi)似的典故合起來(lái)創(chuàng)造同一典面的情況。例如：

p2——葉柵出口靜壓。

由結(jié)果可看出，新葉型比原始葉型的能量損失系數(shù)減少了0.102%，從能量損失系數(shù)的減小可以看出新葉型的氣動(dòng)性能在總體上要優(yōu)于原始葉型，為了更加詳細(xì)地研究流道內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，下面就分別從流場(chǎng)中的型面壓力分布、氣動(dòng)效率沿葉高分布、旋渦沿流向發(fā)展等幾個(gè)方面分別分析對(duì)比兩種葉型。

表1 不同葉型的能量損失系數(shù)

2.2 型面壓力分布分析

為了觀察新葉型對(duì)流場(chǎng)內(nèi)橫向二次流所產(chǎn)生的影響，首先觀察在不同葉高處葉片的型面壓力分布。由于在葉高0.5和0.9的位置新葉型和原始葉型的靜壓分布基本相同，所以只給出沿葉高0.1位置型面壓力分布。圖3為沿葉高0.1位置處原始葉型和新葉型的型面壓力分布圖，在葉高0.1處，壓力面上型面壓力分布基本不變，但在吸力面上相對(duì)軸向距離0.05～0.15的范圍內(nèi)，新葉型的吸力面壓力要高于原始葉型的吸力面壓力，這就使新葉型在進(jìn)口段橫向壓力梯度減小，進(jìn)而使下端壁的橫向二次流強(qiáng)度減小。而橫向二次流是通道渦形成和發(fā)展的重要因素，因此，新葉型低的橫向壓力梯度將會(huì)抑制通道渦的形成和發(fā)展，進(jìn)而減少通道渦帶來(lái)的損失。

新葉型在起始段吸力面的壓力較高，可能是由于氣流經(jīng)過(guò)新葉型的前緣凹陷后，壓力側(cè)流速和靜壓基本不變，而吸力側(cè)流速降低，靜壓升高，因此，較原始葉型，新葉型起始段的橫向二次流將減小。同時(shí)，橫向壓力梯度的變化可能是新葉型改善了前緣馬蹄渦的發(fā)展所引起的。

2.3 氣動(dòng)效率沿葉高分布

為研究效率在葉高方向上的分布情況，圖4給出了氣動(dòng)效率沿葉高的分布情況，從圖中可以看出在中部和頂部新葉型與原始葉型的分布規(guī)律相似，但在16%到52%葉高處兩葉型有較大的差異。在16%～41%處，新葉型的效率要高于原始葉型，而在41%～52%處，原始葉型的效率要高于新葉型。造成這樣的效率分布，是由于新葉型改變了徑向二次流，使吸力面下端壁的低能流體向上運(yùn)動(dòng)，避免了其在吸力面和下端壁形成的角區(qū)內(nèi)堆積，減弱了通道渦的強(qiáng)度和附面層流體在喉部產(chǎn)生的分離。但由于低能流體進(jìn)入中部主流區(qū)，所以將使中部的41%～52%區(qū)域損失加大，因此在這一區(qū)域內(nèi)新葉型的效率低于原始葉型的效率。

圖4 原始葉型與新葉型氣動(dòng)效率沿葉高分布

由于新葉型可以改變前緣馬蹄渦進(jìn)而影響二次流，同時(shí)葉根突起改變徑向二次流，這就使新葉型具有彎葉片的效果，克服了彎葉片在動(dòng)葉上應(yīng)用時(shí)重心移動(dòng)而導(dǎo)致的嚴(yán)重的強(qiáng)度問(wèn)題。

2.4 旋渦沿流向的發(fā)展分析

細(xì)致的流動(dòng)要通過(guò)三維流場(chǎng)細(xì)節(jié)分析，為探究旋渦沿流向的發(fā)展，分析壓力云圖，在葉柵流道內(nèi)部，通道渦剛形成后，在葉柵流道中有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)在同步地發(fā)展著，第一個(gè)是由于通道橫向壓力梯度作用下新的附面層造成的橫向流動(dòng)，這種流動(dòng)進(jìn)一步的造成了在葉片半葉高范圍內(nèi)部的環(huán)流；第二個(gè)是形成的通道渦卷吸新的附面層沿著吸力面附面層向著葉柵中部以及壓力面發(fā)展。事實(shí)上前一運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了后面的運(yùn)動(dòng)，隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，兩個(gè)流體運(yùn)動(dòng)最終合并。在總壓的分析中，一般來(lái)說(shuō)，總壓較低的位置為渦系較強(qiáng)的位置，由于渦系內(nèi)各種動(dòng)量以及能量交換以及轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致了較大的總壓損失。

分別在流場(chǎng)中氣流剛進(jìn)入葉柵，葉柵中部，葉柵出口附近和距出口較遠(yuǎn)處四個(gè)位置觀察原始葉型和新葉型的S3截面在相對(duì)坐標(biāo)系下的總壓云圖，如圖5所示。

從第一組截面中可以看出在壓力面一側(cè)總壓分布基本不變，吸力側(cè)上端處總壓分布變化也不大，但在下端壁靠近吸力側(cè)葉片處，新葉型的低壓區(qū)要比原始葉型的低壓區(qū)面積要小，即總壓損失較小，從中也可以間接地得出通道渦在起始段的發(fā)展情況，即通道渦在新葉型中的發(fā)展?fàn)顩r要優(yōu)于原始葉型。

第二組截面是在葉柵中部截面上總壓分布云圖，從圖中可以看出在壓力面一側(cè)總壓分布大致相同，在葉片吸力面一側(cè)，在上端總壓分布原始葉型的低壓區(qū)要小于新葉型，但在下端壁則是新葉型低壓區(qū)要小些，這說(shuō)明下端壁的前緣變化部分地改變了流場(chǎng)下部的流動(dòng)狀態(tài)，尤其是通道渦的形成和發(fā)展過(guò)程。

圖5 原始葉型與新葉型流場(chǎng)內(nèi)不同截面總壓分布

第三組截面為葉柵出口附近的截面，從圖中可見(jiàn)，壓力面一側(cè)的總壓分布和吸力面上通道渦引起的總壓分布在第三個(gè)截面中基本不變，但下通道渦引起的總壓分布中新葉型要優(yōu)于原始葉型。

第四組截面為距葉柵出口較遠(yuǎn)處的總壓分布，從圖中可以看出在上通道渦和泄露渦引起的總壓分布基本相同，但下通道渦位置及其以下部分總壓分布中，可以看出新葉型的低壓區(qū)面積要比原始葉型小，即新葉型的總壓損失要小。

在四組圖中均可以看到下通道渦引起的總壓區(qū)域相比原始葉型要上移一定距離，即向流道中部區(qū)域靠近。

通過(guò)以上的對(duì)比分析可知，在葉柵進(jìn)口、中部、出口附近和距出口較遠(yuǎn)位置，在下端壁附近新葉型的總壓分布狀況均優(yōu)于原始葉型。由下端壁總壓的分布可知，新葉型的前緣變化使葉柵進(jìn)口前的壓力分布改變，因此，在區(qū)域內(nèi)逆壓梯度減小，而葉柵前流場(chǎng)內(nèi)的逆壓梯度是馬蹄渦形成和發(fā)展的重要因素。所以，在新葉型的作用下，前緣馬蹄渦的強(qiáng)度和尺寸均比原始葉型小，當(dāng)馬蹄渦進(jìn)入流道后，其吸力側(cè)分支強(qiáng)度也較弱，因此改變了前緣吸力側(cè)氣流的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響通道渦的生成和發(fā)展。在沿葉高方向，前緣的突起使馬蹄渦吸力側(cè)分支上移，具有與彎葉片相同的效果，使通道渦向流道的中部靠近，將下端壁的部分低能流體帶到中部主流區(qū)，使損失減小。

3 結(jié)論

本文首先給出了新葉型的基本原理，通過(guò)其工作原理來(lái)進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。本文同時(shí)給出了造型程序、網(wǎng)格劃分方法及邊界條件和湍流模型的選取。在后處理中得出了兩種葉型的能量損失系數(shù)，為了更加準(zhǔn)確地了解流場(chǎng)內(nèi)部的渦系結(jié)構(gòu)，對(duì)流場(chǎng)內(nèi)型面壓力分布，氣動(dòng)效率沿葉高分布，流場(chǎng)內(nèi)旋渦沿流向發(fā)展的對(duì)比分析，可以得到如下結(jié)論：

(1)前緣前伸內(nèi)凹的新動(dòng)葉葉型能量損失系數(shù)要低于原始葉型。

(2)從型面壓力分布中可以看出新葉型在進(jìn)口處的橫向二次流要小于原始葉型，這可以使馬蹄渦進(jìn)入流道后，減弱通道渦的生成和發(fā)展。而橫向二次流的減弱是由于新葉型改變了吸力面和壓力面上的壓力分布。

(3)在分析氣動(dòng)效率沿葉高分布時(shí)，由于新葉型的幾何形狀使氣流產(chǎn)生向上的作用力，使新葉型具有改變徑向二次流上的作用，達(dá)到了與彎葉片相同的效果，這可以克服彎葉片應(yīng)用在動(dòng)葉上的強(qiáng)度問(wèn)題。

(4)在分析更細(xì)微的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)觀察流場(chǎng)內(nèi)各截面的總壓分布，觀察到了渦系的強(qiáng)度以及渦的運(yùn)動(dòng)方向在流場(chǎng)中沿流向的變化。新葉型前緣前掠內(nèi)凹可以減弱葉片前緣的逆壓梯度，從而減弱前緣馬蹄渦的強(qiáng)度和尺寸。吸力側(cè)通道渦不斷向上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到主流區(qū)，減少了下端壁低能流體的流動(dòng)損失。

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TheInvestigationofFlowFieldStructurewithNewGeometryofLeadingEdgeonHPTurbineRotorBlade

WANG Kai1,ZHAO Zhi-yuan2,SUN Yan-ping3,LUO Lei4

(1.North China Electric Power Research Institute Co.Ltd.,Beijing 100045,China;2.Department of Energy Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

In order to control the generation and development of horseshoe vortex, a new method for designing rotor blade has been put forth, in which the leading edge has geometry of protrusive, a small rounded as well as reversal curvature and thick blade root. The neo-blade has the effect of bowed blade cascade designed by the 3D system and stacking method. In this paper, an HP turbine rotor blade is investigated by comparing new blade with original blade from the coefficient of energy loss, the pressure distribution along profile and the transformation of vortex along flow passage. The result shows that horseshoe vortex is under control with new leading edge and the flow condition in flow field improves dramatically.

HP turbine;horseshoe vortex;effect of bowed blade;new blade;secondary flow

2013-07-11修訂稿日期2013-12-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAA07B04)

王凱(1981～)，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)電設(shè)備節(jié)能優(yōu)化及故障診斷技術(shù)。

TK263.6+1

A

1002-6339 (2014) 01-0003-05