王 健

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150046）

隨著汽輪機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超臨界汽輪機(jī)功率不斷提高，人們對(duì)氣動(dòng)效率給予了越來(lái)越多的重視。以往，工程師們比較關(guān)注葉片通流的氣動(dòng)效率。但是汽輪機(jī)葉片優(yōu)化技術(shù)已日趨成熟，提高葉片的效率非常困難，這也使得工程師們開(kāi)始轉(zhuǎn)向進(jìn)汽和排汽等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上來(lái)。鐘主海等[1]利用CFX軟件對(duì)某高壓缸進(jìn)汽蝸殼進(jìn)行了數(shù)值求解，并對(duì)氣動(dòng)影響因素進(jìn)行了研究。吳仕芳等[2]數(shù)值模擬了不同結(jié)構(gòu)的汽輪機(jī)中壓排汽蝸殼，詳細(xì)分析流動(dòng)損失的原因，為設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。本文在對(duì)高壓蝸殼（見(jiàn)圖1）進(jìn)行單獨(dú)模擬的基礎(chǔ)上，完成了蝸殼與第一級(jí)葉片的聯(lián)合數(shù)值模擬，以考慮蝸殼對(duì)葉片流場(chǎng)的影響。

圖1 高壓進(jìn)氣蝸殼結(jié)構(gòu)圖

1 高壓進(jìn)氣蝸殼氣動(dòng)計(jì)算

1.1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分及設(shè)置

許多數(shù)值研究表明，在對(duì)稱的結(jié)構(gòu)中，其內(nèi)部的流場(chǎng)未必對(duì)稱。所以為了更加準(zhǔn)確地模擬蝸殼內(nèi)部流場(chǎng)，對(duì)蝸殼流域進(jìn)行整體建模并劃分網(wǎng)格。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格如圖2所示，出于計(jì)算收斂性考慮，將計(jì)算區(qū)域的出口位置作了適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)。

圖2 蝸殼網(wǎng)格圖

求解三維定常雷諾平均NS方程組，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)K-Epsilon模型，對(duì)于近壁面區(qū)域的流動(dòng)采用Scalable壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。工質(zhì)為過(guò)熱水蒸氣。在進(jìn)口邊界處，給定總溫、總壓條件；在出口邊界處，給定平均靜壓條件；其余的面設(shè)置為無(wú)滑移絕熱壁面。

1.2 計(jì)算結(jié)果及分析

從圖3中蝸殼對(duì)稱面馬赫數(shù)分布圖可見(jiàn)，馬赫數(shù)沿著對(duì)稱面的徑向，由外向內(nèi)逐漸增大，。造成這一現(xiàn)象的主要原因是：氣流一方面在折轉(zhuǎn)中受到蝸殼壁面的阻擋，一方面與壁面摩擦，造成速度降低。蝸殼在靜葉安裝位置附近，馬赫數(shù)沿切向分布非常均勻，除蝸舌及壁面處，馬赫數(shù)等值線幾乎是同心圓。

圖3 馬赫數(shù)分布

2 高壓進(jìn)氣蝸殼與第1級(jí)葉片聯(lián)合計(jì)算

2.1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分及計(jì)算設(shè)置

由于主要研究蝸殼切向進(jìn)氣對(duì)第1級(jí)葉片的影響，所以對(duì)于蝸殼的網(wǎng)格量，可以酌情減少，僅在與靜葉的交界面附近加密即可，而對(duì)動(dòng)靜葉流道則進(jìn)行整圈網(wǎng)格細(xì)化，具體如圖4所示。

圖4 蝸殼與第一級(jí)葉片整體網(wǎng)格圖

數(shù)值計(jì)算方法同單獨(dú)計(jì)算。在進(jìn)口邊界處，給定總溫、總壓條件；在出口邊界處，給定平均靜壓條件；在蝸殼出口與靜葉進(jìn)口，靜葉出口與動(dòng)葉進(jìn)口之間設(shè)置交界面，其余面設(shè)置為無(wú)滑移絕熱壁面。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

由表1可知，單獨(dú)計(jì)算得到的第1級(jí)氣動(dòng)性能偏高。這是因?yàn)閱为?dú)給定的進(jìn)口條件被理想化了，認(rèn)為來(lái)流方向垂直于靜葉進(jìn)口橫截面，并且其余氣動(dòng)參數(shù)均勻分布。實(shí)際上第1級(jí)靜葉的上游為進(jìn)氣蝸殼，汽流在蝸殼中作三維、有粘、非定常流動(dòng)后，出口處流動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜。單獨(dú)計(jì)算時(shí)無(wú)法給出符合實(shí)際的進(jìn)口條件，只有通過(guò)聯(lián)合計(jì)算，借助交界面數(shù)據(jù)傳遞來(lái)考慮蝸殼與第1級(jí)葉片流道之間的相互影響。

表1 第1級(jí)整體參數(shù)對(duì)比

與單獨(dú)計(jì)算的分布相似，圖5、圖6顯示靜壓和馬赫數(shù)沿切向分布均勻，僅在蝸殼壁面及蝸舌處有較大變化。

圖5 蝸殼中截面壓力分布

圖6 蝸殼中截面馬赫數(shù)分布

由圖7可知，聯(lián)合計(jì)算得到的壓力分布與單獨(dú)計(jì)算的結(jié)果非常相似，只是具體的數(shù)值稍有區(qū)別?？梢钥吹皆陟o葉后，壓力分布較為均勻，等值線與流道方向垂直；在動(dòng)葉后，氣流還有略微改善。

圖7 XY斷面壓力分布對(duì)比圖

3 結(jié)論

（1）單獨(dú)計(jì)算蝸殼所獲得的氣動(dòng)參數(shù)，沿切向分布均勻，總壓損失較小，從計(jì)算上驗(yàn)證了蝸殼的氣動(dòng)性能。

（2）理想化的進(jìn)口條件使得單獨(dú)計(jì)算得到的第1級(jí)氣動(dòng)性能偏高。在工程實(shí)際中，應(yīng)對(duì)理想化的葉片通流條件進(jìn)行必要的修正。

（3）第1級(jí)葉片與蝸殼匹配良好，對(duì)氣流的適應(yīng)性較好。靜葉后氣流分布均勻，有利于降低流動(dòng)損失。