高慶,李軍

(西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安)

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間隙結(jié)構(gòu)對輪緣密封封嚴性能及透平級氣動性能影響的數(shù)值研究

高慶,李軍

(西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安)

采用數(shù)值求解三維RANS方程和SST湍流模型的方法,研究了間隙結(jié)構(gòu)對輪緣密封封嚴性能以及封嚴射流對透平級氣動性能的影響。首先,分別對Aachen的一級半透平以及實驗測得的軸向輪緣密封結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值計算,驗證了所用數(shù)值方法在透平級氣動性能以及密封封嚴性能方面計算的有效性。在此基礎(chǔ)上,分析對比了5種封嚴射流流量下出口面積相同的直縫間隙、傾斜間隙,以及在傾斜間隙基礎(chǔ)上改型得到的漸縮、漸擴間隙等4種密封結(jié)構(gòu)的封嚴性能和封嚴射流對透平級氣動性能的影響。結(jié)果表明,輪緣密封間隙結(jié)構(gòu)會影響到間隙射流,進而導致不同間隙結(jié)構(gòu)下透平級總壓損失不同。與直縫間隙相比,傾斜間隙可以有效減小封嚴射流造成的總壓損失,同時具有較高的封嚴性能;漸縮、漸擴間隙的封嚴性能與傾斜間隙相近,其中漸擴間隙可以更為有效地減小封嚴射流造成的氣動損失。

透平級;渦輪;輪緣密封;氣動性能;數(shù)值研究

渦輪轉(zhuǎn)、靜部件之間有一輪盤腔室,工作時由于主流與盤腔間存在壓差,所以高溫主流燃氣會侵入輪盤腔室而導致渦輪盤過熱。為保證渦輪盤安全、可靠地工作,必須對其進行冷卻。在盤腔中一般通入由壓氣機級引入的冷氣對渦輪盤及動葉根部進行冷卻,同時這部分冷氣還將作為輪緣密封封嚴氣流,用來提高盤腔內(nèi)壓力,進而阻止外環(huán)高溫主流燃氣入侵。性能優(yōu)良的輪緣密封從壓氣機引入的冷氣量較少,卻能保證整機效率提高,因此對輪緣密封封嚴性能和主流透平級氣動性能影響的研究具有重要的工程應(yīng)用價值。

Bohn在1.5級透平實驗臺上研究了軸向和徑向密封對主流入侵上游盤腔的影響[1]。Teramachi等采用實驗和數(shù)值的方法研究了包含靜葉和靜葉上游盤腔的4種密封齒結(jié)構(gòu)的輪緣密封封嚴性能[2]。Narzary在單級透平實驗臺上對單齒和雙重輪緣密封進行了實驗研究[3]。Hills等數(shù)值研究了主流燃氣通過渦輪輪緣密封入侵輪盤腔室的非定常流動特性[4]。Mirzamoghadam對高壓透平的輪緣密封燃氣入侵特性進行了定常數(shù)值研究[5]。Zhou等對軸向輪緣密封的燃氣入侵特性進行了數(shù)值研究,并采用孔板模型對結(jié)果進行了分析[6]。

雖然輪緣密封的設(shè)計目的是減少封嚴冷氣量,但是封嚴冷氣匯入主流流道后會影響主流流動形態(tài),進而改變通道內(nèi)渦系結(jié)構(gòu),造成氣動損失。優(yōu)良的輪緣密封結(jié)構(gòu)不僅具有好的封嚴性能,還應(yīng)使得封嚴氣流導致的氣動損失盡可能的小。本文采用求解三維RANS方程和SST湍流模型的方法,從輪緣密封的封嚴性能及其對透平級氣動性能的影響出發(fā),對不同間隙結(jié)構(gòu)的輪緣密封進行了分析,以期為高性能輪緣密封設(shè)計提供參考。

1 計算模型與計算方法

1.1 計算模型

以渦輪軸向輪緣密封為對象,開展了直縫間隙、傾斜間隙結(jié)構(gòu),以及在傾斜間隙結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改型得到的漸縮和漸擴間隙結(jié)構(gòu)的密封封嚴性能,和通過密封間隙的封嚴射流對主流透平級氣動性能影響的研究。傾斜間隙結(jié)構(gòu)的軸向傾角為45°,改型時出口間隙不變,密封中心線傾角不變。圖1給出了密封結(jié)構(gòu)及計算域,密封結(jié)構(gòu)的出口間隙Sc均為8 mm。

(a)直縫間隙

(b)傾斜間隙

(c)漸擴間隙

(d)漸縮間隙圖1 密封結(jié)構(gòu)及計算域

輪緣密封結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)包括:輪緣密封端面半徑b=345 mm,輪緣密封軸向間隙Sc,x=8 mm,輪緣密封徑向間隙Sc,r=4.4 mm,盤腔動靜間距S=30 mm,輪緣密封軸向間隙比Gc,x=Sc,x/b=0.023,盤腔間隙比G=S/b=0.087。計算時輪緣密封軸向間隙相同,密封出口處間隙位置相同。主流通道中透平級選用文獻[7]中的高負荷小展弦比透平葉型,靜葉數(shù)為30,動葉數(shù)為45。

1.2 計算方法及驗證

1.2.1 封嚴效率的計算方法及驗證 實驗中通常采用CO2濃度法進行輪緣密封的封嚴效率研究,即在主流中加入示蹤氣體,通過測量盤腔內(nèi)固定測點位置的示蹤氣體濃度來表征主流入侵盤腔的程度及輪緣密封的封嚴效率。密封濃度封嚴效率計算如下

εc=(cs-ca)/(c0-ca)

(1)

式中:cs為參考點示蹤氣體濃度;ca為主流進口示蹤氣體濃度;c0為冷氣流進口示蹤氣體濃度。

本文通過采用添加附加變量和求解湍流輸運方程的方法來模擬示蹤氣體在主流通道及盤腔內(nèi)的輸運擴散過程。通過求解附加變量湍流輸運方程可以獲得示蹤變量的濃度分布,從而模擬實驗中CO2示蹤氣體分布。湍流流動下的標量輸運方程的通用形式如下

(2)

式中:φ為示蹤氣體的比體積濃度;Sφ為體積源項;Dφ為動能擴散系數(shù)(下文簡稱擴散系數(shù));μt為湍流黏度;Sct為湍流施密特數(shù)。

在流動過程中,示蹤氣體濃度場的形成伴有流動對流傳遞,同時湍流擴散也會影響濃度場的分布,因此示蹤氣體擴散系數(shù)的確定是準確模擬示蹤氣體濃度分布的關(guān)鍵。通過與文獻[8]實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),本文封嚴計算方法是可靠的。根據(jù)實驗工況,計算時擴散系數(shù)應(yīng)在300 K時選取,標準大氣壓下CO2在空氣中的擴散系數(shù)為1.6e-5m2/s。

計算中封嚴射流進口的示蹤變量濃度值為1 kg/m3,主流進口濃度值為0 kg/m3。主流入侵和封嚴冷氣流的摻混會導致計算域中示蹤變量濃度值介于0和1之間。根據(jù)式(1),盤腔處于完全封嚴狀態(tài)時濃度封嚴效率為1,盤腔處于完全入侵狀態(tài)時濃度封嚴效率為0。

圖2 封嚴效率計算值與實驗值對比

圖3給出了主流通道處周向壓力系數(shù)分布。壓力系數(shù)定義如下

(3)

圖3 主流通道處周向壓力系數(shù)分布

從圖2和圖3中可以看出,計算值與實驗值吻合良好,從而驗證了本文方法在計算輪緣密封封嚴特性上的可靠性。

1.2.2 透平級氣動性能數(shù)值方法及驗證 為了驗證本文透平級氣動性能數(shù)值方法的可靠性,采用求解RANS方程和SST湍流模型的方法計算了Aachen的1級半透平[9]性能,并與實驗數(shù)據(jù)進行了對比。圖4～圖6分別給出了1級靜葉出口總壓、動葉出口總壓以及1級靜葉出口氣流角沿相對葉高的分布。從圖4～圖6中可以看出,計算值與實驗值吻合良好,從而驗證了本文方法在預測透平級氣動性能上的有效性。

圖4 靜葉出口氣流角沿相對葉高的分布

圖5 靜葉出口總壓沿相對葉高的分布

圖6 動葉出口總壓沿相對葉高的分布

1.3 網(wǎng)格劃分與計算邊界條件

圖7給出了采用NUMECA-AUTOGRID生成的直縫間隙結(jié)構(gòu)密封的計算網(wǎng)格。主流透平級流道拓撲結(jié)構(gòu)采用H-O-H結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,葉片表面采用O型拓撲貼體網(wǎng)格,葉片進、出口的延伸及盤腔結(jié)構(gòu)為H型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。生成網(wǎng)格時主流通道與盤腔內(nèi)在密封間隙處的網(wǎng)格節(jié)點要完全匹配,以保證求解的精度。在主流通道中,靜葉沿周向布置了55個節(jié)點,沿著軸向布置了73個節(jié)點;動葉沿周向布置了48個節(jié)點,沿著軸向布置了82個節(jié)點;主流通道沿葉高方向布置了49個節(jié)點;密封間隙布置了30個節(jié)點。4種間隙結(jié)構(gòu)的輪緣密封計算網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為130萬～166萬,滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求[10],網(wǎng)格最小正交角度為32°。

圖7 直縫間隙結(jié)構(gòu)密封的計算網(wǎng)格

計算中工質(zhì)采用空氣,主流進口給定總壓Pin=141 860 Pa、總溫320 K,主流出口給定平均靜壓Pout=101 325 Pa,封嚴射流進口給定質(zhì)量流量。

定義封嚴流量比

RM=(m/mm)×100%

(4)

式中:mm為主流質(zhì)量流量。

本文進行了5種封嚴射流工況的計算,封嚴流量比RM分別為0.25%、0.5%、1%、1.5%、2%,m=1.47～11.73 g/s。計算中封嚴射流進口總溫為300 K,旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速為3 600 r/min,固壁面為無滑移絕熱壁面,動、靜計算域交接面設(shè)置在動、靜葉中截面且連接方式為級混合面。對流項空間差分采用高精度混合格式,湍流模型為SST模型。當連續(xù)方程、動量方程、能量方程、湍流方程的均方根殘差達到10-5,各計算域進、出口流量不平衡率小于0.1%時,計算收斂。

2 結(jié)果分析

2.1 直縫間隙與傾斜間隙結(jié)構(gòu)的密封性能對比

圖8給出了直縫間隙與傾斜間隙結(jié)構(gòu)的輪緣密封封嚴效率隨封嚴流量比的變化。從圖8可以看出:隨著封嚴流量比的增加,2種間隙結(jié)構(gòu)的封嚴效率均有所提高;當封嚴流量比小于15%時,傾斜間隙結(jié)構(gòu)的冷卻效率均大于直縫間隙結(jié)構(gòu);當封嚴流量比大于15%時,2種結(jié)構(gòu)的封嚴效率區(qū)別不大,此時均達到了完全封嚴狀態(tài),封嚴效率接近100%。

圖8 直縫間隙與傾斜間隙結(jié)構(gòu)的輪緣密封封嚴效率對比

圖9 直縫間隙及傾斜間隙結(jié)構(gòu)子午面封嚴效率分布

圖9給出了封嚴流量比為0.25%時2種間隙結(jié)構(gòu)的子午面封嚴效率分布。當封嚴流量比為0.25%時,2種間隙結(jié)構(gòu)均有入侵現(xiàn)象發(fā)生。由于轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)帶動了封嚴氣流向上運動,所以旋盤一側(cè)的封嚴效率大于靜盤一側(cè)。沿著軸向從靜盤面到動盤面,封嚴效率分布出現(xiàn)了梯度變化,從2種間隙結(jié)構(gòu)可以看出:在動盤面,采用傾斜間隙結(jié)構(gòu)的封嚴效率相對于直縫間隙結(jié)構(gòu)大大提高,尤其在動盤面靠近密封處表現(xiàn)最為明顯。因此,采用傾斜間隙結(jié)構(gòu)可以對承受高溫、高壓的旋盤提供更為有效的保護。

圖10給出了直縫間隙及傾斜間隙結(jié)構(gòu)間隙靜盤面和動盤面封嚴效率的徑向分布,圖中封嚴效率為周向平均值。從圖10可以看出:在靜盤面r/b<0.74的低位半徑區(qū)域,2種密封結(jié)構(gòu)的封嚴效率區(qū)別不大;在r/b>0.74的高位半徑區(qū)域,傾斜間隙結(jié)構(gòu)的封嚴效率大于直縫間隙結(jié)構(gòu);在0.8

(a)靜盤面

(b)動盤面 圖10 直縫間隙及傾斜間隙結(jié)構(gòu)靜盤面和動盤面封嚴效率的徑向分布

本文根據(jù)文獻[11]中定義,對不同封嚴流量比下的透平級等熵效率進行了計算。考慮到封嚴射流潛在的做功能力,定義等熵效率

η=Tqω/(mmCpT0,in(1-(P0,out/P0,in)γ-1/γ)+

mCpT0(1-(P0,out/P0)γ-1/γ))

(5)

式中:Tq為扭矩;ω為轉(zhuǎn)速;T0,in為主流進口總溫;T0為封嚴射流進口總溫;P0,out為出口總壓;P0,in為主流進口總壓;P0為封嚴射流進口總壓。

圖11給出了直縫間隙及傾斜間隙結(jié)構(gòu)的透平級等熵效率隨封嚴流量比的變化。從圖11可以看出:隨著封嚴流量比的增加,等熵效率降低;當封嚴流量比從0.25%增加到2%時,直縫間隙結(jié)構(gòu)的等熵效率從0.883降低到0.874,傾斜間隙結(jié)構(gòu)的等熵效率從0.887降低到0.88。對比直縫間隙及傾斜間隙結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),5種封嚴流量工況下傾斜間隙結(jié)構(gòu)的效率均大于直縫間隙結(jié)構(gòu),表明傾斜間隙結(jié)構(gòu)更有利于提高氣動性能,封嚴射流量愈大,這種優(yōu)勢愈明顯。

圖11 直縫間隙及傾斜間隙結(jié)構(gòu)的等熵效率對比

圖12 直縫間隙及傾斜間隙結(jié)構(gòu)的動葉出口截面總壓對比

圖12給出了封嚴流量比為1%時直縫間隙與傾斜間隙結(jié)構(gòu)的動葉出口截面總壓對比。受葉柵上、下端壁附近通道渦以及尾跡脫落渦的影響,在動葉出口處形成高損失區(qū)。對比2種間隙結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),密封結(jié)構(gòu)會對下部通道渦處的高損失區(qū)產(chǎn)生影響,而采用傾斜間隙結(jié)構(gòu)的總壓損失最小。這是由于:采用直縫間隙結(jié)構(gòu)時,封嚴射流主要沿徑向流出,氣流徑向速度較大,氣流穿透壁面邊界層進入了主流通道且對主流產(chǎn)生擾動;采用傾斜間隙結(jié)構(gòu)時,封嚴射流由于受到傾斜壁面的引導而沿著偏向軸向的方向流出,這樣射流會附著在壁面上,使得徑向動量減小,對主流穿透的能力減小,進而總壓損失減小。

2.2 間隙結(jié)構(gòu)對透平級主流的影響

圖13給出了直縫間隙及傾斜間隙結(jié)構(gòu)下動葉在5%葉高處的葉片表面靜壓分布。從圖13可以看出:從吸力面前緣到10%軸向弦長出現(xiàn)了擴壓區(qū)域,這是封嚴射流以流動負攻角進入葉片通道,使得前緣附近吸力面壓力有所提升所致;2種間隙結(jié)構(gòu)下,壓力面靜壓分布基本一致,吸力面壓力分布有所區(qū)別,這個現(xiàn)象可以由圖14解釋,即在周向壓力梯度的影響下,隨著流動的發(fā)展,封嚴射流進入通道后被推擠到了葉片吸力面。相比于傾斜間隙結(jié)構(gòu),直縫間隙結(jié)構(gòu)的封嚴射流會較早地被推擠到葉片吸力面上,導致壓力升高,因此在吸力面2種間隙結(jié)構(gòu)下的壓力分布有所不同。

圖13 直縫間隙及傾斜間隙結(jié)構(gòu)下動葉在5%葉高處的葉片表面靜壓分布

(a)傾斜間隙 (b)直縫間隙圖14 直縫間隙及傾斜間隙結(jié)構(gòu)在0.5%葉高處的流線

出口氣流角是反映透平級氣動性能的一個重要參數(shù)。定義氣流角

β=arctan(Wt/WZ)(180/π)

(6)

圖15給出了封嚴流量比為2%時直縫間隙與傾斜間隙結(jié)構(gòu)在動葉出口處的氣流角分布。從圖15可以看出:在動葉出口區(qū)域,不同的間隙結(jié)構(gòu)對中部及下部葉高范圍內(nèi)的氣流角會產(chǎn)生影響;在75%以上的相對葉高區(qū)域,2種間隙結(jié)構(gòu)的動葉進口氣流角分布基本一致;在75%以下的相對葉高區(qū)域,采用傾斜間隙結(jié)構(gòu)明顯減小了上、下端壁附近二次流引起的氣流角欠、過偏轉(zhuǎn)的程度。該結(jié)果再次證明了傾斜間隙結(jié)構(gòu)可以減小氣動損失。

圖15 封嚴流量比為2%時直縫間隙與傾斜間隙結(jié)構(gòu)在動葉出口處的氣流角分布

圖16、17分別給出了封嚴流量比分別為1%和2%時直縫間隙與傾斜間隙結(jié)構(gòu)下主流透平級動葉吸力面極限流線。從圖16、17可以看出:極限流線的分離位置基本反映出葉片出口處通道渦的位置;對于直縫間隙結(jié)構(gòu),封嚴流量比為1%時動葉出口下部通道渦約位于54%葉高處,封嚴流量比為2%時動葉出口下部通道渦約位于60%葉高處;對于傾斜間隙結(jié)構(gòu),封嚴流量比為1%時動葉出口下部通道渦約位于54%葉高處,封嚴流量比為2%時動葉出口下部通道渦約位于63%葉高處。封嚴射流流量發(fā)生變化會改變下部通道渦的位置,相比于直縫間隙結(jié)構(gòu),傾斜間隙結(jié)構(gòu)下部通道渦的位置并沒有明顯變化。

(a)RM=1% (b)RM=2%圖16 直縫間隙結(jié)構(gòu)動葉吸力面極限流線

(a)RM=1% (b)RM=2%圖17 傾斜間隙結(jié)構(gòu)動葉吸力面極限流線

2.3 漸縮、漸擴間隙結(jié)構(gòu)的密封性能分析

圖18給出了漸縮、漸擴及傾斜間隙結(jié)構(gòu)的封嚴效率對比。從圖18看可以看出:改型后間隙在封嚴性能并沒有明顯的變化;當封嚴流量比達到1.5%時,3種結(jié)構(gòu)均達到了完全封嚴狀態(tài)。

圖18 漸縮、漸擴及傾斜間隙結(jié)構(gòu)的封嚴效率對比

圖19給出了漸縮、漸擴及傾斜間隙結(jié)構(gòu)的等熵效率對比。從圖19可以看出:隨著封嚴射流量比的增加,通道渦強度增強,損失增大,等熵效率降低;相對于傾斜結(jié)構(gòu),漸擴間隙結(jié)構(gòu)在5種封嚴射流工況下均有更高的等熵效率,而漸縮間隙結(jié)構(gòu)的等熵效率低于傾斜間隙結(jié)構(gòu)。

圖19 漸縮、漸擴及傾斜間隙結(jié)構(gòu)的等熵效率對比

圖20給出了封嚴流量比為1%時漸縮、漸擴及傾斜間隙結(jié)構(gòu)的動葉出口總壓分布。相比于傾斜間隙結(jié)構(gòu),漸擴間隙結(jié)構(gòu)可以進一步減小動葉出口總壓損失,而漸縮間隙結(jié)構(gòu)反而增加了動葉出口的總壓損失。這是因為,當封嚴射流經(jīng)過漸擴通道時,射流速度逐漸降低,射流在匯入主流時的徑向速度較小,穿透能力較弱,附著壁面的能力更好,對主流的擾動較小,因而損失較小;反之,當采用漸縮間隙結(jié)構(gòu)時,出口射流徑向速度較大,穿透能力較強,氣動損失較大。

圖20 漸縮、漸擴及傾斜間隙結(jié)構(gòu)的動葉出口總壓分布

3 結(jié) 論

本文采用三維RANS方程和SST湍流模型研究了4種間隙結(jié)構(gòu)的輪緣密封封嚴性能和密封間隙射流對透平級氣動性能的影響。

相比于直縫間隙結(jié)構(gòu),采用傾斜間隙結(jié)構(gòu)時的封嚴效率有所提高,尤其在動盤面且靠近密封處表現(xiàn)得最為明顯,同時動葉出口處氣流偏轉(zhuǎn)程度減小,通道渦的強度減小,動葉出口總壓損失減小。直縫、傾斜間隙結(jié)構(gòu)下的通道渦的位置變化不明顯。從封嚴性能和對主流氣動性能影響兩方面來看,傾斜間隙結(jié)構(gòu)的密封性能優(yōu)于直縫間隙結(jié)構(gòu)。

通過對漸擴及減縮間隙結(jié)構(gòu)的研究表明,其在封嚴性能方面與傾斜間隙結(jié)構(gòu)相近,但在對主流氣動性能影響方面,漸擴間隙結(jié)構(gòu)可以更有效地減小動葉出口總壓損失。

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(編輯 苗凌)

Numerical Investigations for Effects of Turbine Rim Seal Configurations on Sealing Effectiveness and Aerodynamic Performance of Turbine Stage

GAO Qing,LI Jun

(Institute of Turbomachinery, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The effects of the turbine rim seal configurations on sealing effectiveness and aerodynamic performance of turbine stage are numerically investigated with 3D Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations and SST turbulent model. The Aachen 1.5 turbine stage and axial rim seal configuration from Bath rig are selected as the research objective. The numerical results coincide well with experimental data. The accuracy of this approach for calculating turbine stage aerodynamic performance and sealing effectiveness are verified. The aerodynamic performance of the turbine stage and sealing effectiveness are comparatively analyzed for five purge mass flow ratios at four kinds of rim seals with different slot geometries. The numerical results show that the slot geometry plays an important role in aerodynamic performance of turbine stage. Compared with straight slot rim seal, inclined slot rim seal reduces total pressure loss in blade passage and also owns the better sealing performance. Two types of new seal, divergent and convergent rim seal, perform as inclined rim seal, and the divergent rim seal configuration facilitates reducing pressure loss.

turbine; rim seal; turbine stage; aerodynamic performance; investigation

2014-06-30。 作者簡介:高慶(1988—),男,博士生;李軍(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51376144);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目。

時間: 2015-01-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150105.0854.005.html

10.7652/xjtuxb201503005

TK474.7

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0253-987X(2015)03-0025-07