徐 鵬 ， 胡 輝

（1.海軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局駐大連地區(qū)第一軍事代表室，遼寧 大連 116000；2.中國船舶集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海 200031）

0 前言

汽輪機(jī)末級在小容積流量工況下，葉柵中存在二次流損失和葉型損失。通道內(nèi)產(chǎn)生的分離渦、回流渦和動靜間隙渦使末級葉片存在鼓風(fēng)、水蝕、葉片震顫等問題[1]，同時(shí)，氣動力作用在葉片表面的不均性導(dǎo)致葉片承受較大彎曲扭矩和扭轉(zhuǎn)力矩，產(chǎn)生葉片損傷，降低葉片壽命。

有研究表明：在低相對流量下，末級動葉頂部壓力面的近前緣區(qū)域發(fā)生流動分離，隨著流量的進(jìn)一步減小，在通道內(nèi)出現(xiàn)通道渦、尾跡渦，流動分離向葉根發(fā)展[2]。較小的汽流速度所產(chǎn)生的離心力不足以抵消內(nèi)弧到背弧產(chǎn)生的壓力差，產(chǎn)生了汽流的橫向運(yùn)動，同時(shí)，上下端壁上的橫向來流與葉柵背弧附面層相匯合，造成附面層的脫離進(jìn)而形成通道渦[3]。通道渦下游還有壁角渦、脫落渦等形成帶狀尾跡區(qū)域，即尾跡渦。汽流在靜葉柵根部流道內(nèi)急劇膨脹，出口流速達(dá)到超音速狀態(tài)時(shí)，在葉片尾緣產(chǎn)生強(qiáng)烈激波，而動葉前緣受到靜葉尾緣激波的影響產(chǎn)生非定常壓力場，引起壓力脈動。汽流穿過激波層后，馬赫數(shù)驟降低，產(chǎn)生較大的能量損失。合適的汽流沖擊葉片角度可以減少正激波，降低渦系強(qiáng)度[4]。

隨著計(jì)算流體技術(shù)的發(fā)展，利用CFD技術(shù)可以獲得更加細(xì)致的溫度、壓力、流動特性。本研究采用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX對某型汽輪機(jī)低壓缸末級級內(nèi)流動進(jìn)行三維定常模擬，通過分析平衡態(tài)下不同流量工況下的流動特性，研究流道內(nèi)流線、壓力分布、流動分離和渦系結(jié)構(gòu)[1-4]。

1 模型和數(shù)值方法

1.1 物理模型

本研究以某汽輪機(jī)低壓缸末級為研究對象，該汽輪機(jī)包含60靜葉片，60動葉片。三維模型由TurboGrid提供，全局采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，壁面Y+<2。級內(nèi)聯(lián)通采用正交化網(wǎng)格，計(jì)算模型如圖1、圖2所示。

圖1 物理模型

圖2 三維計(jì)算網(wǎng)格

1.2 數(shù)值方法和邊界條件

本研究采用CFX中求解RANS方程組為SST k-ω湍流模型。工質(zhì)選擇真實(shí)濕蒸氣模型IAPWS-IF97標(biāo)準(zhǔn)steam3vl水蒸氣模型，額定工況下邊界條件采用進(jìn)口壓力為24.86 kPa，出口壓力為5 kPa。小容積流量條件下則給定背壓5 kPa，進(jìn)口為質(zhì)量流量入口邊界條件。小容積流量下給定單通道質(zhì)量流量分別為1.2 kg/s、1 kg/s、0.6 kg/s、0.3 kg/s、0.15 kg/s。

5種小容積流量情況下具體參數(shù)如表1所示。

表1 5種小流量工況進(jìn)出口參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 流線分析

各工況下通道內(nèi)流動情況如圖3所示，100%相對流量下，汽流平穩(wěn)流過葉片，隨著相對流量減少，首先在葉根處出現(xiàn)非穩(wěn)定流動，如圖3（b）所示。在60%相對流量下，如圖3（c）所示，葉根出現(xiàn)明顯的分離渦和流動分離，葉根處流線出現(xiàn)明顯彎曲，汽流開始發(fā)生徑向流動，向動葉柵50%相對葉高流動。

34%相對流量下，動葉片近葉根尾緣不再能夠觀察到流線，葉根區(qū)域出現(xiàn)大范圍的渦流和葉片脫流現(xiàn)象，如圖3（d）所示。從動靜間隙開始的流線向動葉通道中上段富集，回流區(qū)域高度占據(jù)了60%相對葉高。隨著相對流量進(jìn)一步減小到17%相對流量，如圖3（e）所示，回流區(qū)域高度增加，達(dá)到了70%相對葉高，并且在動葉葉頂，開始出現(xiàn)橫跨了動靜間隙段和動葉葉頂?shù)膭屿o間隙渦。在9%相對流量下，如圖3（f）所示，動靜間隙渦明顯增大，渦核朝葉根方向移動，在葉頂98%區(qū)域出現(xiàn)少量流線，并且該區(qū)域中汽流出現(xiàn)高速流動現(xiàn)象。此時(shí)，回流區(qū)高度增大到90%相對葉高。存在于動葉通道內(nèi)的不穩(wěn)定的流動情況使汽輪機(jī)末級產(chǎn)生鼓風(fēng)發(fā)熱和長葉片震顫。同時(shí)，進(jìn)入排汽缸中的濕蒸汽有可能在回流渦的作用下以回流形式重新流入通道內(nèi)，產(chǎn)生水蝕現(xiàn)象。

圖3 不同容積流量下通道內(nèi)三維流線圖

2.2 壓力分布和流動狀態(tài)

各工況下相對高度的壓力分布如圖4所示，其中p0代表動葉片進(jìn)口壓力，p1代表動葉片出口壓力，從圖中可以看出，蒸氣在動葉中的膨脹程度隨著葉高的增加而增加。在圖4（a）中，100%相對流量情況下，葉根處動葉進(jìn)出口壓差最小，之后隨著葉高逐漸增大，動葉前后不存在逆壓力區(qū)。隨著相對流量減小，動葉前各相對高度下壓力逐漸減小。在72%相對流量和60%相對流量下，葉根處出現(xiàn)明顯的逆壓區(qū)，分布于15%葉高和22%葉高以下，如圖4（b）、圖4（c）所示，該位置的軸向逆壓力梯度導(dǎo)致動葉出口產(chǎn)生回流，形成回流渦。圖4（d）中，動葉前后壓力分布接近一致，因此，該流量下汽流動能無法抵消末級離心力，開始出現(xiàn)大面積的徑向流動。在圖4（e）、圖4（f）中，逆壓區(qū)擴(kuò)大至整個(gè)葉高，在葉頂高度處的逆壓區(qū)出現(xiàn)了動靜間隙渦，從圖4（e）至圖4（f），逆壓梯度極大值由原本的90%相對葉高轉(zhuǎn)為75%相對葉高，這可以解釋動葉間隙渦向葉根處移動現(xiàn)象，而渦流范圍擴(kuò)大則與流量密切相關(guān)。

圖4 沿葉高方向的壓力分布

2.3 低相對高度下橫向流動特性

9%相對流量下，5%相對高度的壓力分布和流線如圖5所示。在9%相對流量下的通道內(nèi)渦流不僅來源于動葉進(jìn)出口的逆壓區(qū)，如圖4所示，還來源于由葉柵背弧與內(nèi)弧之間的橫向壓力差。在橫向壓力差作用下，葉柵中部處流線脫離背弧，向葉柵內(nèi)弧發(fā)展，并在軸向逆壓力梯度下形成渦流，該渦流范圍占據(jù)近一半的通道面積，對通道內(nèi)汽流軸向流動產(chǎn)生干擾。在葉柵出口處的流線，則在橫向壓力梯度下形成明顯的二次流。

圖5 9%相對流量下，5%相對高度截面壓力分布及流線圖

除此之外，如圖6所示，9%相對流量下，在葉柵進(jìn)口處的汽流形成負(fù)沖角，汽流沖擊動葉吸力面，導(dǎo)致動葉前緣發(fā)生流動分離形成渦流。由負(fù)沖角因素引起的附面層流動分離產(chǎn)生的分離渦占據(jù)了低相對高度下大部分流動區(qū)域。

圖6 不同流量下動葉進(jìn)口汽流方位角

2.4 鼓風(fēng)工況

不同流量下轉(zhuǎn)矩變化情況如圖7所示，隨著流量減小，末級動葉轉(zhuǎn)矩減小，在相對流量減小至17%時(shí)，轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，末級動葉做負(fù)功，存在鼓風(fēng)工況。在17%~34%相對流量中間存在動葉不做功的過渡工況。

圖7 不同工況下扭矩?cái)?shù)值

不同流量下末級內(nèi)功率如圖8所示，級的內(nèi)功率隨著流量減小而減小，在17%相對流量下，級的內(nèi)功率為負(fù)值。在鼓風(fēng)工況下，動葉出口汽流焓值上升，形成負(fù)反動度。

圖8 不同工況下內(nèi)功率

3 結(jié)論

本研究應(yīng)用CFX軟件獲得小容積流量工況下汽輪機(jī)末級通道內(nèi)流動特性，分析小容積流量下渦流產(chǎn)生機(jī)理，并得到鼓風(fēng)工況下所對應(yīng)的相對流量。結(jié)論如下：

1）小容積流量工況下，通道內(nèi)產(chǎn)生動靜間隙渦、分離渦、回流渦。分離渦率先產(chǎn)生在動葉壓力面前緣，回流渦產(chǎn)生在動葉出口。隨著相對流量減小，回流渦逐漸由葉根向葉頂方向擴(kuò)散。在17%相對流量下出現(xiàn)動靜間隙渦，并隨著相對流量減小，動靜間隙渦范圍逐漸擴(kuò)大，渦核中心向葉根方向移動。同時(shí)，在動葉進(jìn)出口產(chǎn)生逆壓區(qū)的增強(qiáng)，產(chǎn)生更加復(fù)雜的回流渦。

2）17%和9%相對流量下的動葉進(jìn)口汽流方位角與其余4種工況有明顯區(qū)別，該相對流量下，在葉根處會形成負(fù)沖角，在葉頂會由于動靜間隙渦產(chǎn)生小進(jìn)口汽流方位角。由于負(fù)沖角引起動葉前緣發(fā)生流動分離，形成較為強(qiáng)烈的渦流。

3）末級動葉轉(zhuǎn)矩和末級內(nèi)功率隨著相對流量降低而減小，當(dāng)相對流量為17%，已經(jīng)出現(xiàn)負(fù)扭矩和負(fù)內(nèi)功率，此時(shí)產(chǎn)生鼓風(fēng)工況。過渡工況應(yīng)在17%~34%相對流量之間。