葉型超差對某兩級渦輪氣動特性影響

慕粉娟， 王思遠

（哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

渦輪葉柵內(nèi)部流動是非常復(fù)雜的設(shè)計或非設(shè)計工況三維流動，國內(nèi)外在渦輪葉柵流動方面已經(jīng)作了較多的研究工作［1-4］。渦輪性能的影響因素較多，其中葉型精度是渦輪設(shè)計的主要指標之一，然而在渦輪葉片的制造加工過程中，由于刀具磨損、材料變形等隨機因素的存在會導(dǎo)致葉片的設(shè)計尺寸產(chǎn)生加工誤差，就可能導(dǎo)致葉型超差而加工出不良產(chǎn)品，從而影響整個渦輪的性能。

本文以某兩級渦輪為研究對象，利用數(shù)值模擬方法對葉型超差前后的葉柵內(nèi)部流場進行了三維湍流流動研究，精確掌握了該渦輪內(nèi)部流場的分布特點，分析對比了葉型超差前后渦輪的氣動特性，為該渦輪的葉型設(shè)計及加工制造提供了有意義的參考價值。

1 數(shù)值方法及計算網(wǎng)格

為了適應(yīng)求解透平機械中普遍存在的相對轉(zhuǎn)動的流場，選用的是以角速度ω轉(zhuǎn)的笛卡兒坐標系下的N-S方程：

它們的具體形式如下：

從經(jīng)驗和量綱分析出發(fā)，本文計算采用了S-A方程模型，該模型的計算量較小，穩(wěn)定性較好，且某一點上模型方程不受其它點的解的影響，因此該模型在工程中越來越受到關(guān)注。

控制方程的離散采用有限體積法，該方法差分格式簡單、經(jīng)濟，邊界條件易處理，非常適合于多重網(wǎng)格，能滿足流體力學(xué)的守恒定律并且能適應(yīng)復(fù)雜的邊界形狀和非正規(guī)網(wǎng)格。

本文計算采用O-4H型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)大約200萬左右，如圖1所示。

進口給定總溫、總壓，軸向進氣；出口給定平均靜壓；動葉給定轉(zhuǎn)速。

2 計算與分析

表1給出了該渦輪動葉葉型各截面的超差量。圖2給出了一級動葉A1截面的超差前后葉型。

圖3和圖4分別給出了一級動葉A1截面及二級動葉A5截面的壓力分布圖。由圖可以看出，不管是正超差還是負超差，葉片型面壓力分布都有所變化，葉片載荷明顯減小，且一級動葉的正攻角增大，做功能力下降。

圖1 計算網(wǎng)格

表1 葉型超差量mm

圖2 一級動葉A1截面

圖3 一級動葉A1截面壓力分布

圖5給出了級出口相對馬赫數(shù)沿葉高的變化?？梢钥闯觯壋隹隈R赫數(shù)在葉根和葉頂變化比較大，在葉中部分變化平緩，并且是沿葉高逐漸增大的趨勢，葉型超差后的級出口馬赫數(shù)降低，說明氣流出口速度降低，做功能力下降，因為只有高的氣流速度才能增加機組的做功能力。這種變化由級出口靜壓也可以看出（圖6和圖7），超差后的葉柵級出口靜壓減小，出口速度減小，靜壓沿葉高的變化比原型葉柵劇烈，這也反映出級的反動度沿葉高的變化也很劇烈，尤其是在葉頂部位。

圖8給出了各級出口相對氣流角沿葉高的變化。很明顯超差后的葉柵出口氣流角在葉頂和葉根部分變化加劇，氣流角度的最大偏轉(zhuǎn)達20°左右，使得渦輪做功能力下降。同時，提示我們在渦輪的設(shè)計過程中，必須采取一定的措施使得葉根和葉頂二次流損失減小，以提高渦輪的氣動性能。

圖9給出了各級動葉葉型超差前后葉片表面的極限流線圖，極限流線是分離流動在壁面上的體現(xiàn)，因此借助這些結(jié)果展示分離流動的發(fā)生位置以及誘發(fā)喘振與堵塞的原因。從圖中可以看出，由于葉型超差引起葉片壓力面中上部出現(xiàn)氣流分離，形成強烈的二次流漩渦，造成葉柵二次流損失增大，使得渦輪葉柵的氣動性能降低。

圖4 二級動葉A5截面壓力分布

圖5 級出口相對馬赫數(shù)

圖6 一級動葉出口靜壓

圖7 二級動葉出口靜壓

圖8 級出口相對氣流角

圖9 各級動葉超差前后壓力面極限流線

3 結(jié)語

本文對某兩級渦輪葉型超差前后的葉柵內(nèi)部流場進行了三維湍流流動研究，分析對比了超差前后渦輪葉柵的氣動特性，結(jié)論如下：

葉型超差后的葉柵內(nèi)部流場出現(xiàn)嚴重的二次流分離現(xiàn)象，且出口參數(shù)在葉根和葉頂變化比較劇烈。葉型超差后渦輪氣動性能明顯受到影響，渦輪做功能力下降。因此，設(shè)計者在設(shè)計過程中對葉型的精度應(yīng)給予高度重視。在葉片的加工過程中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)葉型超差的現(xiàn)象，提高加工效率。

［1］ Weiss A P，F(xiàn)ottner L.The influence of load distribution on secondary flow in straight turbine cascades［J］.ASME Journal of Turbomachinery，1995，117：133－141.

［2］ Weiss P，F(xiàn)ottner L.The Influence of Load Distribution on Secondary Flow in Straight Turbine Cascades ［J］.J.Turbomachinery，1995，117（1）：50-60.

［3］ Reinmōller U，Stephan B，Schmidt S，et al.Clocking Effects in a 1.5 Stage Axial Turbine-Steady and Usteady Experimental Investigations Supported by Numerical Simulations［J］.ASME Journal of Turbomachinery，2002（1）：52-60.

［4］ 周遜，韓萬金，呂智強.后加載葉型葉柵直葉片和彎曲葉片葉柵中能量損失變化的實驗研究［J］.航空動力學(xué)報，2004（1）：118-125.