程舒嫻,李志剛,李軍,2
(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心,100191,北京)
隨著燃?xì)馔钙竭M(jìn)口參數(shù)的不斷提高,高溫部件所需要承受的熱負(fù)荷不斷增加,為阻止主流高溫燃?xì)膺M(jìn)入盤腔,通常向盤腔內(nèi)部引入冷卻氣體,達(dá)到冷卻封嚴(yán)的作用,從而提高渦輪運(yùn)行的安全性[1]。葉柵通道內(nèi)為了降低二次流強(qiáng)度采用的非軸對(duì)稱端壁設(shè)計(jì)會(huì)改變主流周向壓力分布[2],從而影響輪緣密封的封嚴(yán)效率。因此,研究非軸對(duì)稱端壁造型對(duì)完善考慮透平級(jí)綜合性能下的端壁造型和輪緣密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義[3]。
Owen分析了轉(zhuǎn)靜盤腔泵吸效應(yīng)引起的旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)和主流周向壓力波動(dòng)引起的外環(huán)誘導(dǎo)這兩種輪緣密封燃?xì)馊肭肿饔脵C(jī)制[4-5]。Bohn等在單級(jí)渦輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)上采用激光多普勒(LDV)測(cè)量了主流通道中不同周向位置的速度和壓力分布[6]。Sangan等在單級(jí)模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)上研究了4種輪緣密封結(jié)構(gòu)的燃?xì)馊肭痔匦訹7-9]。上述實(shí)驗(yàn)研究包括簡(jiǎn)單和復(fù)雜的雙重密封結(jié)構(gòu),從無主流流動(dòng)的旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)入侵到外環(huán)誘導(dǎo)入侵,再到雙重密封結(jié)構(gòu)的混合入侵方式,結(jié)果表明,在相同冷氣量下,徑向密封比軸向密封的主流入侵程度要小很多;雙重密封結(jié)構(gòu)比單一的簡(jiǎn)單密封結(jié)構(gòu)更能保護(hù)盤腔內(nèi)部腔室,并能有效抑制入侵燃?xì)庀虮P腔深處侵入。高慶等在密封徑向內(nèi)齒面沿周向開設(shè)正六邊形蜂窩孔,并提出了一種新型蜂窩面徑向輪緣密封優(yōu)化結(jié)構(gòu)[10],相比于傳統(tǒng)光滑面輪緣密封結(jié)構(gòu),蜂窩面輪緣密封結(jié)構(gòu)能夠有效提高輪緣密封的封嚴(yán)效率。陶加銀等對(duì)簡(jiǎn)單徑向密封與雙重密封進(jìn)行了定常與非定常的計(jì)算,發(fā)現(xiàn)定常計(jì)算容易低估燃?xì)馊肭至縖11]。鄔澤宇等實(shí)驗(yàn)研究了靜盤雙齒動(dòng)盤單齒封嚴(yán)環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(齒高和齒間距)變化對(duì)輪緣密封封嚴(yán)效率的影響,結(jié)果表明,封嚴(yán)效率隨封嚴(yán)流量和旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增加而增加,最小封嚴(yán)流量隨著齒間距的增大和齒高的減小而增大[12]。
李國(guó)軍等對(duì)透平葉柵進(jìn)行了非軸對(duì)稱造型并對(duì)多種造型結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值研究[13]。Schobeiri等數(shù)值研究了非軸對(duì)稱端壁對(duì)透平氣動(dòng)與氣膜冷卻效率的影響,研究表明,非軸對(duì)稱端壁造型能增大透平效率,但比軸對(duì)稱端壁的氣膜冷卻效率要低[14]。孫皓等提出了雙控制型線的非軸對(duì)稱端壁造型新方法,可有效減少進(jìn)入葉柵通道渦的低能流體,從而抑制了通道渦的發(fā)展,減少二次流的損失[15]。汪傳美等通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),對(duì)三角函數(shù)和壓差非軸對(duì)稱端壁成型法的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證了2種端壁成型方法的有效性[16]。
目前的研究忽略了非軸對(duì)稱端壁造型結(jié)構(gòu)對(duì)輪緣密封封嚴(yán)的影響,為降低主流二次流損失,端壁造型常采用動(dòng)葉前緣凸起結(jié)構(gòu),但凸起設(shè)計(jì)會(huì)增加主流周向的壓力不均勻度,增大輪緣的密封難度。因此,本文基于單級(jí)渦輪輪緣密封結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了凹坑結(jié)構(gòu),數(shù)值研究了5種端壁造型對(duì)透平氣動(dòng)性能以及盤腔封嚴(yán)效率的影響,以期為非軸對(duì)稱端壁造型的評(píng)價(jià)體系和設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供參考。
在冷氣中加入一定量的CO2氣體,根據(jù)CO2的體積分?jǐn)?shù)分布來研究燃?xì)馊肭智闆r,封嚴(yán)效率為
εc=(cs-ca)/(c0-ca)
(1)
式中:ca為主流進(jìn)氣時(shí)CO2的體積分?jǐn)?shù);cs為參考點(diǎn)CO2的體積分?jǐn)?shù);c0為冷氣流進(jìn)氣時(shí)CO2的體積分?jǐn)?shù)。
數(shù)值模擬中采用附加變量法得到封嚴(yán)效率。通過求解附加變量湍流輸運(yùn)方程得到示蹤變量分布,附加變量方程描述了所關(guān)注流體單元在計(jì)算域中的輸運(yùn)和擴(kuò)散過程,其標(biāo)量形式為
(2)
式中:φ為示蹤氣體的體積分?jǐn)?shù);Dφ為動(dòng)能擴(kuò)散系數(shù),選取常溫常壓下CO2在空氣中的數(shù)值為1.6×10-5m2/s;μt為湍流黏度;Sct為湍流施密特?cái)?shù)。數(shù)值計(jì)算中將冷氣進(jìn)口的示蹤變量設(shè)為1,主流進(jìn)口設(shè)為0,此時(shí)封嚴(yán)效率的值即為示蹤變量的值。
通過對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的單級(jí)軸流渦輪輪緣密封結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)效率[7]進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值方法的可靠性,具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)可參考文獻(xiàn)[7]。盤腔靜壁面r/b=0.958處εc隨冷氣量變化的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較如圖1所示。數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好,驗(yàn)證了所采用的數(shù)值方法的可靠性。
圖1 封嚴(yán)效率的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值[7]比較
本文基于單級(jí)渦輪輪緣密封結(jié)構(gòu)[10]來研究端壁造型對(duì)封嚴(yán)效率和動(dòng)葉氣動(dòng)性能的影響,徑向輪緣密封的單級(jí)軸流渦輪幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示,輪緣密封以及盤腔的主要幾何參數(shù)如表1所示。靜葉后緣與動(dòng)葉前緣相距26 mm,盤腔的冷卻結(jié)構(gòu)為中心進(jìn)氣。
表1 徑向輪緣密封主要結(jié)構(gòu)參數(shù)[10]
圖2 單級(jí)渦輪幾何結(jié)構(gòu)
圖3為包含主流流道、輪緣密封間隙以及渦輪盤腔的計(jì)算域網(wǎng)格,整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,在輪緣密封間隙處、葉片表面和動(dòng)葉前緣處加密。動(dòng)靜交界面設(shè)置在轉(zhuǎn)靜間隙與靜葉尾緣之間。單級(jí)渦輪的靜動(dòng)葉葉片數(shù)分別為30、45,為簡(jiǎn)化計(jì)算,在模型構(gòu)建中取整周模型的1/15,即包含2個(gè)靜葉、3個(gè)動(dòng)葉和24°的盤腔模型,主流通道網(wǎng)格數(shù)為168萬,盤腔為186萬,總網(wǎng)格數(shù)為354萬。由圖3b可知,除軸對(duì)稱端壁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)模型外,分別對(duì)動(dòng)葉前緣處改型端壁徑向最高位置到最低位置的距離占葉高百分?jǐn)?shù)α為-10%、-5%、5%和10%這4種模型進(jìn)行網(wǎng)格生成。
(a)計(jì)算域網(wǎng)格
(b)動(dòng)葉前緣端壁5種造型的局部計(jì)算網(wǎng)格圖3 輪緣密封計(jì)算網(wǎng)格
圖4 動(dòng)葉前緣下端壁造型
圖4為動(dòng)葉前緣下端壁造型。為了保持端壁面的光滑,在軸向和周向均采用了在單個(gè)周期內(nèi)單調(diào)且連續(xù)的余弦函數(shù)來構(gòu)造端壁型面,并保證動(dòng)葉前緣位置為端壁頂峰,頂峰高度為
P(α)=hα
(3)
葉柵流道內(nèi)部的軸向端壁和周向端壁分別采用函數(shù)A1(z)和A2(θ)構(gòu)建,即
(4)
(5)
式中:z為軸向位置;z1為轉(zhuǎn)靜間隙的軸向位置;z2為動(dòng)葉前緣的軸向位置;θ為周向角度;θ0為動(dòng)葉前緣的周向角度;θ1為端壁面周向延伸的角度,取θ1-θ0=2.5°。
利用軟件ANSYS-CFX對(duì)單級(jí)渦輪輪緣密封的封嚴(yán)效率和非定常流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算工質(zhì)采用理想氣體,主流進(jìn)口給定質(zhì)量流量為9.39 kg/s,總溫為320 K,主流出口給定平均靜壓為101 325 Pa,冷氣進(jìn)口總溫為300 K,轉(zhuǎn)速為3 600 r/min,固壁面設(shè)為無滑移絕熱壁面,動(dòng)靜交界面為瞬時(shí)轉(zhuǎn)子靜子,非定常計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.000 018 5 s,即動(dòng)葉轉(zhuǎn)過2個(gè)靜葉通道需要60個(gè)時(shí)間步,非定常計(jì)算時(shí)均結(jié)果取收斂后120個(gè)瞬時(shí)值的時(shí)間平均。
圖5給出了冷氣量Φ0=0.037時(shí)3種端壁結(jié)構(gòu)動(dòng)葉出口處的渦量分布云圖。由圖5可知,3種端壁結(jié)構(gòu)時(shí)渦量分布相似,高渦量區(qū)域靠近吸力面?zhèn)?SS):位于端壁的Ⅰ區(qū)主要由動(dòng)葉流道內(nèi)的通道渦形成;Ⅱ區(qū)主要由吸力面邊界層自身流動(dòng)和與Ⅰ區(qū)相互作用形成。動(dòng)葉前緣的端壁造型對(duì)Ⅱ區(qū)的渦量分布影響不大,但影響了Ⅰ區(qū)的渦量分布。α=10%的凸壁面端壁結(jié)構(gòu)能夠壓制通道渦發(fā)展,縮?、駞^(qū);α=-10%的凹壁面端壁結(jié)構(gòu)使得通道渦向壓力面發(fā)展,Ⅰ區(qū)增大,二次流損失增大。
圖5 動(dòng)葉出口渦量分布云圖(Φ0=0.037)
定義級(jí)總靜效率
(6)
定義級(jí)總靜效率差
Δηt-s=ηt-s-ηt-s,b
(7)
式中:ηt-s,b為基礎(chǔ)模型的級(jí)總靜效率。
表2給出了Φ0=0.037時(shí)5種不同端壁造型的級(jí)總靜效率。動(dòng)葉前緣非軸對(duì)稱端壁造型結(jié)構(gòu)能使級(jí)總靜效率小幅改變,凸壁面造型增加級(jí)總靜效率,凹壁面造型降低級(jí)總靜效率。當(dāng)α=5%,10%時(shí),級(jí)總靜效率分別增加0.048%、0.058%;當(dāng)α=-5%時(shí),級(jí)總靜效率下降0.005%;當(dāng)α=-10%時(shí),級(jí)總靜效率顯著下降,下降0.184%。這說明,動(dòng)葉前緣凸壁面端壁能提高級(jí)總靜效率,略微凹陷的動(dòng)葉前緣端壁對(duì)動(dòng)葉氣動(dòng)影響很小,但更大的凹陷會(huì)顯著降低動(dòng)葉氣動(dòng)性能。
表2 5種模型的氣動(dòng)性能
對(duì)5種端壁造型進(jìn)行了多次不同Φ0的計(jì)算,并根據(jù)孔板模型理論預(yù)測(cè)最小封嚴(yán)氣量,定義無量綱冷氣量為
(8)
基于孔板模型理論[4-5],冷氣量與封嚴(yán)效率的關(guān)系式為
(9)
式中:Φmin,EI為封嚴(yán)所需最小冷氣量;Γc為輪緣密封入侵與出流的排氣系數(shù)之比。在工程實(shí)際中,當(dāng)封嚴(yán)效率達(dá)到0.95時(shí),可認(rèn)為輪緣密封已經(jīng)達(dá)到封嚴(yán)要求[17],最小封嚴(yán)氣量為
(10)
式中:Φmin,b為基礎(chǔ)模型的最小封嚴(yán)氣量。
圖6給出了r/b=0.96處5種不同動(dòng)葉的εc隨冷氣量的變化,數(shù)值計(jì)算結(jié)果使用孔板模型理論進(jìn)行擬合,用于預(yù)測(cè)Φmin。表3給出了5種不同動(dòng)葉前緣端壁造型時(shí)盤腔輪緣密封封嚴(yán)所需Φmin。由表3可知:隨著α的減小,封嚴(yán)效率整體提高;與軸對(duì)稱端壁比較,凸壁面端壁造型會(huì)降低輪緣密封封嚴(yán)效率,增加最小封嚴(yán)冷氣量,且凸起越明顯影響越大,α=10%使得所需的最小冷氣量增加了53%,α=5%使得所需的最小冷氣量增加了23%;凹壁面端壁造型能夠明顯的提高輪緣密封的封嚴(yán)效率,減小最小封嚴(yán)冷氣量,α=-10%能夠減小48%的最小冷氣量,α=-5%能夠減小14%的最小冷氣量。動(dòng)葉前緣凸壁面端壁造型使氣動(dòng)效率增加,但同時(shí)輪緣密封所需的封嚴(yán)氣量也大幅增加,凹壁面端壁造型減小了氣動(dòng)效率,但輪緣密封所需的封嚴(yán)氣量也大幅減小。在工程實(shí)際中,冷氣流因自身焓值較低,更多的封嚴(yán)冷氣量必然降低主流做功的能力,因此在考慮非軸對(duì)稱端壁提高氣動(dòng)性能的同時(shí),其對(duì)輪緣密封封嚴(yán)效率的影響不可忽略。
圖6 封嚴(yán)效率隨冷氣量的變化
模型Φminξα=10%0.06653%α=5%0.05423%基礎(chǔ)模型0.043α=-5%0.037-14%α=-10%0.022-48%
燃?xì)馊肭质艿街髁髦芟驂毫Σ▌?dòng)的影響很大,而非軸對(duì)稱端壁造型結(jié)構(gòu)直接影響了輪緣密封間隙處的壓力場(chǎng)。受動(dòng)葉前緣滯流的影響,動(dòng)葉前緣壓力場(chǎng)的變化與葉片通道內(nèi)不同。無量綱壓力Cp、無量綱壓力差ΔCp與歸一化角度Θ定義為
Cp=(pa-pref)/(0.5ρΩ2b2)
(11)
ΔCp=Cp,max-Cp,min
(12)
Θ=(θ-θ0)/(θ1-θ0)
(13)
式中:pa為當(dāng)?shù)仂o壓;pref為參考?jí)毫?ρ為氣體密度;Ω為轉(zhuǎn)速;b為盤腔外徑;Cp,max為周向最大無量綱壓力;Cp,min為周向最小無量綱壓力;θ為周向角度;θ0為靜葉尾緣的周向角度;(θ1-θ0)為靜葉間距的周向角度。
圖7 動(dòng)葉前緣端壁處壓力沿周向的變化
圖7給出了3個(gè)動(dòng)葉通道中動(dòng)葉前緣5.5 mm端壁處時(shí)均無量綱壓力Cp沿周向的變化。α為-5%、0、5%時(shí)周向壓力波動(dòng)的最小值基本不變,動(dòng)葉前緣端壁造型只改變了動(dòng)葉前緣高壓區(qū)的壓力峰值。當(dāng)動(dòng)葉前緣為凸壁面端壁時(shí),動(dòng)葉前緣壓力峰值提高,并且在壓力波動(dòng)的原峰谷之間產(chǎn)生了一個(gè)新的低壓區(qū)域,使得主流周向壓力波動(dòng)進(jìn)一步變大。而凹壁面端壁動(dòng)葉前緣壓力峰值減小,且α=-10%時(shí)壓力谷值增大,主流周向壓力波動(dòng)減小。
圖8給出了動(dòng)葉前緣5.5 mm端壁處時(shí)均無量綱周向壓力差ΔCp隨冷氣量的變化。隨著α的逐漸增大,動(dòng)葉前緣端壁處的主流周向壓力波動(dòng)增大,α=10%時(shí)周向壓力波動(dòng)約為α=-10%的兩倍,隨著冷氣量的增大,壓力波動(dòng)先增大后減小,當(dāng)Φ0=0.037時(shí)壓力波動(dòng)最大。
圖8 動(dòng)葉前緣周向壓差隨冷氣量的變化
圖9給出了Φ0=0.037,0.074,α=-10%,0,10%時(shí)的動(dòng)葉端壁時(shí)均壓力云圖與密封處時(shí)均徑向速度分布。由圖9a可知,Φ0=0.037時(shí)動(dòng)葉前緣高壓位置對(duì)應(yīng)的密封徑向速度為負(fù),為燃?xì)馊肭謪^(qū)域,輪緣密封處燃?xì)馊肭峙c出流區(qū)域間隔分布。由圖9b可知,Φ0=0.074時(shí)輪緣間隙靠近動(dòng)葉端壁處徑向速度均為正,均為冷氣出流區(qū)域,燃?xì)馊肭謪^(qū)域被壓縮到靠近靜葉端壁的部分。當(dāng)輪緣密封處的徑向速度為正時(shí),動(dòng)葉前緣的高壓區(qū)域減小,說明冷氣出流會(huì)減小附近的壓力,從而減小主流壓力波動(dòng)。
(a)Φ0=0.037
(b)Φ0=0.074圖9 動(dòng)葉端壁壓力系數(shù)云圖與密封處徑向速度分布
圖10 動(dòng)葉前緣子午面壓力系數(shù)分布云圖和流線圖(Φ0=0.037)
圖10給出了Φ0=0.037時(shí)5種端壁造型冷氣出流處(動(dòng)葉通道)、燃?xì)馊肭痔?動(dòng)葉前緣)的子午面時(shí)均壓力分布云圖與流線圖。由圖10可知:隨著α的減小,冷氣出流導(dǎo)致轉(zhuǎn)靜間隙動(dòng)葉側(cè)的回流渦逐漸減小,由回流渦引起的局部低壓區(qū)域也逐漸減小,局部壓力提高;當(dāng)α=5%,10%時(shí),凸壁面端壁造型提前導(dǎo)致了流動(dòng)的滯止,軸向速度的減小,使得高壓區(qū)域前移,增大了輪緣密封處的周向壓力波動(dòng);當(dāng)α=-5%,-10%時(shí),凹壁面端壁造型使得氣流向下流動(dòng),形成順時(shí)針渦,降低了動(dòng)葉前緣附近的壓力,減小了輪緣密封處的周向壓力波動(dòng)。
(a)基礎(chǔ)模型
(b)α=-5%圖11 盤腔密封內(nèi)子午面封嚴(yán)效率云圖與流線圖(Φ0=0.022)
圖11給出了Φ0=0.022時(shí),軸對(duì)稱端壁結(jié)構(gòu)與凹壁面端壁造型(α=-5%)的盤腔密封冷氣出流與燃?xì)馊肭痔幍摩與分布云圖與流線圖,圖中給出了動(dòng)葉前緣上游5.5 mm端壁處的瞬時(shí)壓力波動(dòng)ΔCp。兩種結(jié)構(gòu)在不同時(shí)刻的燃?xì)馊肭峙c冷氣出流截面的位置相對(duì)動(dòng)葉不變,燃?xì)馊肭纸孛嫖挥趧?dòng)葉前緣處,冷氣出流截面位于兩個(gè)動(dòng)葉之間。凹壁面端壁造型大幅降低了主流的壓力波動(dòng),軸對(duì)稱端壁4個(gè)時(shí)刻的平均ΔCp為0.337,而凹壁面端壁4個(gè)時(shí)刻的平均ΔCp為0.251,較軸對(duì)稱端壁減少了34%,導(dǎo)致了凹壁面端壁造型的盤腔封嚴(yán)效率高于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。在T1和T3時(shí)刻,中間一個(gè)動(dòng)葉的前緣均位于靜葉尾緣正后方,此時(shí)ΔCp較小,僅為T2、T4時(shí)刻的80%。在兩種結(jié)構(gòu)中,當(dāng)瞬時(shí)ΔCp低于0.32時(shí),燃?xì)馊肭纸孛嫔厦芊獾妮S向與徑向間隙內(nèi)存在一個(gè)較大的渦,入侵受阻;當(dāng)瞬時(shí)ΔCp高于0.32時(shí),燃?xì)馊肭纸孛嫔系拿芊鈨?nèi)僅存在兩個(gè)較小的渦,受渦的影響入侵燃?xì)庠诿芊鈨?nèi)貼轉(zhuǎn)盤壁面流入盤腔,進(jìn)入盤腔內(nèi)部后沿靜盤壁面向下擴(kuò)散。在軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)中,當(dāng)瞬時(shí)ΔCp低于0.32時(shí),冷氣出流受密封內(nèi)貼近靜壁面的渦的影響,出流受阻;在凹壁面端壁和軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)中瞬時(shí)ΔCp較大時(shí),冷氣出流較為順利,密封內(nèi)沒有大的渦流,僅在壁面轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)細(xì)小的渦流。
本文采用三維URANS方法和SST模型,研究了動(dòng)葉前緣端壁造型對(duì)輪緣密封封嚴(yán)效率和動(dòng)葉氣動(dòng)性能的影響,得出如下結(jié)論。
(1)動(dòng)葉前緣端壁造型改變了動(dòng)葉通道二次流流動(dòng)結(jié)構(gòu)。與基礎(chǔ)模型相比,動(dòng)葉前緣處凸壁面端壁造型抑制了動(dòng)葉通道渦發(fā)展,略微增大了級(jí)總靜效率;凹壁面端壁造型使通道渦向壓力側(cè)發(fā)展,增大了二次流損失,降低了級(jí)總靜效率。凹陷程度較大時(shí)會(huì)損失0.184%級(jí)總靜效率。
(2)動(dòng)葉前緣處凹壁面端壁造型凹陷處產(chǎn)生回流渦,導(dǎo)致局部壓力降低,主流周向壓力波動(dòng)減小,封嚴(yán)效率增大;凸壁面端壁造型會(huì)導(dǎo)致動(dòng)葉前緣滯止區(qū)域前移,導(dǎo)致局部壓力增大,主流周向壓力波動(dòng)增大,封嚴(yán)效率降低。當(dāng)凹陷(凸起)明顯時(shí),均可減少(增加)50%的最小封嚴(yán)冷氣量。