旋轉(zhuǎn)氣冷渦輪流場的數(shù)值模擬

袁 鋒, 張才穩(wěn), 黃海舟, 竺曉程, 杜朝輝

(1.湖北省電力公司電力試驗研究院武漢 430077;2.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海 200030)

目前用于渦輪葉片的冷卻技術(shù)主要有氣膜冷卻、沖擊冷卻、肋壁強化換熱及擾流柱強化換熱等.對氣膜冷卻渦輪流場而言,由于冷卻氣體的引入,使得流場結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜[1].射流對主流及射流間的流動結(jié)構(gòu)對渦輪氣膜冷卻效率、氣動性能等影響較大,了解射流與主流的摻混機(jī)理有助于在氣膜冷卻中抑制射流對主流的穿透,減弱高溫主流對葉片的直接沖刷,提高冷卻效率.

近幾十年來,國內(nèi)外研究者對氣膜冷卻技術(shù)進(jìn)行了大量的數(shù)值計算.Hoda等[2]采用目前常用的幾個湍流模型對平板射流與主流摻混流場進(jìn)行數(shù)值模擬,并與試驗結(jié)果進(jìn)行比較,以研究各個湍流模型的特點;Bohn等[3]采用數(shù)值模擬方法對前緣冷卻的渦輪葉片流場和溫度場進(jìn)行計算,研究射流與主流摻混對葉片壁面溫度分布的影響;楊科等[4]和王松濤等[5]采用具有TVD性質(zhì)的三階精度Godunov格式對渦輪葉柵進(jìn)行了冷氣噴射數(shù)值模擬,研究了冷氣孔處于渦輪葉柵不同軸向位置和噴射角度下的流場結(jié)構(gòu);趙曉路等[6]在三維N-S程序的基礎(chǔ)上,引入了一種簡單的冷氣射流計算模型,對一級高壓渦輪含有冷氣摻混的三維流場進(jìn)行了數(shù)值模擬;袁峰等[7]采用數(shù)值模擬的方法研究了尾跡對氣冷渦輪流場的影響.

渦輪在旋轉(zhuǎn)時,其流場結(jié)構(gòu)與渦輪在靜止或平板狀態(tài)下有所不同.在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下,存在著離心力、哥氏力以及非等溫場下的浮升力,在這些力的作用下,葉片內(nèi)部的流動和換熱情況相當(dāng)復(fù)雜.筆者采用CFD軟件Numeca計算氣冷渦輪三維流場,研究氣冷渦輪在靜止和旋轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)下冷卻射流和主流的摻混結(jié)構(gòu).

1 數(shù)值計算方法

本文計算的湍流模型選用S-A一方程模型.以守恒形式的有限體積法進(jìn)行空間離散,采用中心差分格式,時間采用四階顯式Runge-Kutta求解方法,并采用了多重網(wǎng)格和隱式殘差平均化技術(shù).

圖1為氣冷渦輪葉片模型及坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖.圖中L為沿葉片表面到冷卻孔中心的位移,X為沿葉片徑向到中間冷卻孔中心的位移.渦輪葉片壓力面和吸力面各有一排氣膜冷卻孔,孔徑D=2 mm,孔間距為孔徑的3倍.在劃分網(wǎng)格時,渦輪動葉第一層網(wǎng)格y+值取1,氣膜孔及其周圍網(wǎng)格采用局部加密處理,網(wǎng)格總數(shù)在100萬左右.射流氣腔和射流孔使用蝶形網(wǎng)格(見圖2).為了使數(shù)值模擬更加接近實際情況,將射流氣腔的流場和主流流場進(jìn)行了聯(lián)合計算.

圖1 葉片模型及坐標(biāo)示意圖Fig.1 Rotorm odel and coordinates system

圖2 渦輪葉片氣膜孔網(wǎng)格Fig.2 Grid division for film-cooling holes in turbine blade

2 計算結(jié)果與分析

數(shù)值計算的進(jìn)口條件給定主流入口質(zhì)量流量、溫度和氣流方向,出口條件給出平均靜壓.氣膜孔進(jìn)口同樣給定冷卻氣體質(zhì)量流量、溫度和氣流方向.假定葉片周向為周期性邊界,端壁和葉片型面為無滑移絕熱邊界,射流孔的進(jìn)出口都為交接面,孔壁為無滑移的絕熱邊界,供氣腔端壁和兩側(cè)壁也為無滑移的絕熱邊界.

定義氣膜冷卻的吹風(fēng)比M為:

圖3為旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下渦輪壓力面和吸力面冷卻孔附近的三維流線.冷卻孔出來的射流與主流相互作用,在孔附近產(chǎn)生結(jié)構(gòu)復(fù)雜的旋渦.當(dāng)射流離開冷卻孔時,葉片表面附近的橫向主流使射流偏斜,并隨著其橫截面流譜的不斷變化伸向下游.隨著沿射流跡線距離的增加,剪切使下游流面繞著自身折轉(zhuǎn)并形成一個支配孔附近流場旋向相反的渦對,即所謂的腎形渦.在射流出口附近,射流與橫向主流的相互作用可與剛性圓柱擾流類比.當(dāng)橫向剪切主流趨近射流孔出口時,會在主流的固壁上形成分離鞍點以及與此鞍點對應(yīng)的馬蹄渦,繞過射流的橫向主流在其下游形成尾跡區(qū).

極限流線是最接近于固體壁面網(wǎng)格線上的流線,能直觀地反映固體壁面附近的流動.圖4和圖5分別為M=2時,渦輪壓力面和吸力面壁面附近的極限流線圖.在靜止和旋轉(zhuǎn)工況下,可以明顯發(fā)現(xiàn)在壓力面和吸力面射流出口附近,射流與橫向主流的相互作用類似于剛性圓柱擾流,當(dāng)橫向剪切主流趨近射流孔出口時,會在主流的固壁上形成分離鞍點以及與此鞍點對應(yīng)的馬蹄渦,孔兩側(cè)的分離線指出了馬蹄渦的跡線,該分離線繞過射流向孔中心收攏后沿著下游發(fā)展.同時在射流孔下游形成尾跡區(qū),尾跡區(qū)中甚至還出現(xiàn)了軸向逆流.

圖3 渦輪前緣冷卻孔附近三維流線Fig.3 3D stream line near cooling holes on leading edge of turbine blade

圖4 壓力面極限流線Fig.4 Lim iting stream lines on pressure side

圖5 吸力面極限流線Fig.5 Lim iting stream lines on suction side

由圖4可以看出,在靜止工況下,壓力面?zhèn)戎髁髟诳浊?.5倍孔徑處形成分離鞍點,孔兩側(cè)的分離線在孔下游2倍孔徑(L/D=2.0)處匯集然后向下游發(fā)展;而在旋轉(zhuǎn)工況下,孔兩側(cè)的分離線匯集位置延伸至孔下游5倍孔徑處,馬蹄渦的強度和尺度有所加強.同時,由于旋轉(zhuǎn)的影響,反向渦對(腎形渦)的形狀和大小有所改變,有明顯沿葉片徑向流動的趨勢.

在圖5中,吸力面表面的極限流線在靜止和旋轉(zhuǎn)工況下的變化則不如壓力面明顯(包括孔前分離鞍點、孔兩側(cè)的分離線匯集位置等),反向渦對的對稱性比壓力面的好.在旋轉(zhuǎn)工況下,射流和主流的摻混結(jié)構(gòu)沒有明顯變化,在下游傳播軌跡上,旋轉(zhuǎn)工況下吸力面?zhèn)葮O限流線的徑向偏移也不明顯.

圖6為靜止和旋轉(zhuǎn)兩種工況下,渦輪葉片壓力面和吸力面?zhèn)瓤紫掠尾煌S向位置在x-y平面上射流與主流摻混形成的流場渦量圖.圖中S為平面上任意點到葉片表面的距離.在兩種工況下,壓力面和吸力面?zhèn)榷即嬖诿黠@的反向渦對結(jié)構(gòu).

圖6 葉片射流孔下游 x-y面渦量圖Fig.6 Vortex contour in x-y plane dow nstream of jet hole on turbine blade

在壓力面?zhèn)?L/D=1.0處為反向渦對的充分發(fā)展期,射流和主流摻混劇烈,渦的強度較大.在旋轉(zhuǎn)工況下,反向渦對的渦心位置比靜止工況有所上升(遠(yuǎn)離葉片表面).反向渦對在向下游發(fā)展的過程中,渦的強度逐漸減弱,在旋轉(zhuǎn)工況下壓力面?zhèn)确聪驕u對的衰減尤其明顯,且反向渦對的對稱結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化;在L/D=5.0處,反向渦對已基本消失,而此處靜止工況下的反向渦對仍比較明顯.

在吸力面?zhèn)?靜止和旋轉(zhuǎn)兩種工況下反向渦對的衰減速度和程度差異較小,反向渦對隨著下游距離的增大逐漸減弱,由于射流和主流的摻混使下游摻混流場繞著自身向壁面折轉(zhuǎn),各個平面上渦心區(qū)域隨著下游距離的增大逐漸向壁面偏移.與壓力面相比,吸力面?zhèn)葴u對的渦心位置更靠近葉片壁面,渦的影響區(qū)域也較小.

3 結(jié) 論

(1)渦輪冷卻射流與主流相互作用,在冷卻孔附近產(chǎn)生復(fù)雜的流動現(xiàn)象和旋渦結(jié)構(gòu).在靜止和旋轉(zhuǎn)兩種工況下,渦輪葉片壓力面和吸力面?zhèn)榷即嬖诿黠@的反向渦對結(jié)構(gòu),反向渦對隨著下游距離的增大逐漸減弱,并向壁面靠近.

(2)通過對極限流線的分析發(fā)現(xiàn),渦輪葉片壓力面的極限流線在靜止和旋轉(zhuǎn)兩種工況下的區(qū)別比較明顯,旋轉(zhuǎn)使得馬蹄渦的尺度有所加強,且旋轉(zhuǎn)使得摻混流場的軌跡有向葉片徑向偏轉(zhuǎn)的趨勢.在吸力面,反向渦對的對稱性比壓力面的好,在靜止和旋轉(zhuǎn)工況下,射流和主流的摻混結(jié)構(gòu)沒有明顯變化,在下游傳播軌跡上,旋轉(zhuǎn)工況下吸力面極限流線的徑向偏移也不明顯.

(3)與靜止工況相比,旋轉(zhuǎn)工況下渦輪壓力面?zhèn)确聪驕u對的衰減速度和程度變化明顯.而在吸力面?zhèn)?靜止和旋轉(zhuǎn)兩種工況下反向渦對的衰減速度和程度差異較小,與壓力面相比,吸力面?zhèn)葴u對的渦心位置更靠近葉片壁面,渦的影響區(qū)域也較小.

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