對(duì)于葉冠齒頂間隙對(duì)渦輪氣動(dòng)性能的影響研究

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1、學(xué)兔兔www.xuetutu.com第2期(總第189期)機(jī)械工程與自動(dòng)化NO．22015年O4月MECHANICALENGINEERING&AUT0MAT10NApr．文章編號(hào)：1672—6413(2015)02—0029—03葉冠齒頂間隙對(duì)渦輪氣動(dòng)性能的影響研究馬石，劉永葆。，繆四春，羅響午(1．海軍X-程大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程研究室，湖北武漢430033；2．海軍工程大學(xué)艦船動(dòng)力工程軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430033；3．海軍_T-程大學(xué)動(dòng)力_T-程學(xué)院，湖北武漢430033；4．91251部隊(duì)，上海200940)摘要：通過數(shù)值方法對(duì)某二級(jí)帶冠渦輪的流場(chǎng)進(jìn)行研究，分析了齒頂間

2、隙對(duì)渦輪氣動(dòng)性能的影響。研究結(jié)果表明：泄漏流與主流摻混后形成一個(gè)渦流區(qū)，改變了葉柵上半通道的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；隨著齒頂間隙的增加，渦輪的流量先快速增加后趨于平緩，渦輪的效率先快速減小后趨于平緩；同時(shí)發(fā)現(xiàn)不同工況下，渦輪的流量和效率的變化趨勢(shì)相同。關(guān)鍵詞：齒頂間隙；氣動(dòng)性能；渦輪中圖分類號(hào)：TP391．7：TK474．7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0引言邊界條件見表2。渦輪動(dòng)葉設(shè)計(jì)成頂部帶冠結(jié)構(gòu)，能夠減小泄漏流1．2數(shù)值方法量，并減小泄漏流對(duì)主流流動(dòng)帶來的負(fù)面影響，因此葉本文采用商用CFD軟件Numeca的FINE／片帶冠的設(shè)計(jì)得到了廣泛的研究與應(yīng)用。Denton[Turbo模塊進(jìn)行計(jì)算，求解三維定常雷諾

3、平均的N—S首先對(duì)帶冠葉片進(jìn)行了氣動(dòng)方面的研究，建立了渦輪方程組，采用中心節(jié)點(diǎn)有限體積法進(jìn)行離散，空間差分葉頂間隙泄漏流動(dòng)的損失模型和經(jīng)驗(yàn)公式。Rosic[采用了二階中心差分格式，時(shí)間項(xiàng)采用4階Runge—對(duì)葉冠的篦齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究。吳丁毅基于實(shí)Kutta法迭代求解，湍流模型采用Spalart—Allamaras驗(yàn)對(duì)直通式篦齒和臺(tái)階式篦齒進(jìn)行了研究，得出了篦模型。模型的網(wǎng)格采用Numeca軟件包的Autogrid5齒厚度與齒隙比對(duì)流場(chǎng)的影響。呂強(qiáng)研究了不同迷生成，葉柵通道采用O4H型拓?fù)渚W(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格數(shù)量宮式氣封齒數(shù)時(shí)的動(dòng)葉頂部泄漏流動(dòng)特性，并分析了約為4×1O個(gè)。為了準(zhǔn)確地模

4、擬出邊界層內(nèi)的流動(dòng)泄漏流與主流摻混后的流場(chǎng)對(duì)下級(jí)靜葉性能的影響。特性，所有壁面處的y+值小于2。圖2為二級(jí)渦輪模鄢景對(duì)某型燃?xì)廨啓C(jī)三級(jí)渦輪進(jìn)行了數(shù)值模擬，主型的計(jì)算網(wǎng)格。要分析了無冠動(dòng)葉柵和有冠動(dòng)葉柵頂部的間隙泄漏渦和通道渦的三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)。杜發(fā)青l(xiāng)_6和劉高文主要研究了不同的篦齒結(jié)構(gòu)、齒數(shù)、壓比和轉(zhuǎn)速對(duì)泄漏流的影響。房友龍對(duì)渦輪葉頂間隙的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。王鵬飛L9分析了葉冠齒頂間隙對(duì)渦輪氣動(dòng)性能的影響，但并沒有對(duì)不同工況下齒頂間隙對(duì)渦輪的氣動(dòng)性能進(jìn)行研究。本文以某二級(jí)軸流帶冠渦輪為研究對(duì)象，通過三維數(shù)值模擬分析了葉冠齒腔內(nèi)渦流結(jié)構(gòu)，并主要分析圖1某二級(jí)帶冠渦輪的真實(shí)篦齒結(jié)構(gòu)示意

5、圖了在不同工況下，齒頂間隙對(duì)渦輪流量和效率的影響。表1篦齒相關(guān)尺寸mm1物理模型與數(shù)值方法齒頂間隙c2．5齒頂高度Rl4751．1物理模型與邊界條件齒頂寬度s0．3第一個(gè)齒根半徑R3468圖1為某二級(jí)帶冠渦輪的真實(shí)篦齒結(jié)構(gòu)示意圖，第一個(gè)齒寬w1．3第三個(gè)齒根半徑R247O其相關(guān)尺寸見表1。邊界條件按該燃?xì)廨啓C(jī)試車時(shí)所第二個(gè)齒寬wz0．8前兩個(gè)齒齒距d112測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，0．35、0．7和1．0三種工況點(diǎn)的第三個(gè)齒寬w30．8后兩個(gè)齒齒距29收稿日期：2014—05—30}修訂日期：2014—12—11作者簡(jiǎn)介：馬石(1989一)，男，遼寧葫蘆島人，在讀碩士研究生，研究方向：艦

6、用燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化。學(xué)兔兔www.xuetutu.com·3O·機(jī)械工程與自動(dòng)化2015年第2期2計(jì)算方法驗(yàn)證敏感，齒頂問隙較大時(shí)，齒頂間隙對(duì)渦輪流量的影響程圖3為2．5mm齒頂間隙高度時(shí)渦輪流量數(shù)值模度不大。對(duì)比不同工況下流量的變化情況可以發(fā)現(xiàn)流擬結(jié)果與試車數(shù)據(jù)的對(duì)比。從圖3中可以看出，數(shù)值量的變化速度相差較小。圖印佰∞弱∞計(jì)算結(jié)果與試車數(shù)據(jù)在0．35、0．7和1．0三種不同工葉冠出1：3渦流區(qū)況點(diǎn)的渦輪流量變化趨勢(shì)一致，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試車數(shù)據(jù)的渦輪流量偏差約為4。表2三種工況點(diǎn)的邊界條件工況o．35工況o．7工況1．o工況入口壓力(Pa)115156O150960019

7、49230入口溫度(K)l22814381543出口壓力(Pa)236781301000376438圖4葉冠間隙流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)表3不同工況下渦輪流量隨齒頂間隙的變化kg·S齒頂間隙(mm)0．35工況0．7工況1．0工況0．575．1560．2649．671．O75．3360．4149．791．575．436O．5O49．882．O75．5160．5749．922二級(jí)渦輪模型的計(jì)算網(wǎng)格2．575．566O．6O49．943．o75．586O．6249．953．575．5