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1、70化工機(jī)械2010年沖角變化對(duì)渦輪葉柵的氣動(dòng)性能影響數(shù)值仿真馮子明+(大慶石油學(xué)院)劉洪河(大慶鉆探工程公司鉆井二公司)姜民政(大慶石油學(xué)院)摘要用汽輪機(jī)高壓級(jí)靜葉柵作為仿真模型，采用Ansys—CFX作為計(jì)算CFD仿真軟件，在改變沖角的變工況務(wù)件下對(duì)葉柵的氣動(dòng)性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，此葉柵具有很好的沖角適應(yīng)性，可以控制葉柵上下端部的橫向串流。能有效抑制二次流的產(chǎn)生舜口減小損失。關(guān)鍵詞渦輪沖角數(shù)值仿真二次流中圖分類號(hào)TKl4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0254-6094(2010)01-0070-04汽輪機(jī)高壓級(jí)靜葉柵屬大功率多級(jí)汽輪機(jī)中間級(jí)組的靜葉列，根據(jù)凝汽式
2、汽輪機(jī)的變工況特點(diǎn)，在變工況下該葉列的降壓比、焓降與流動(dòng)效率與設(shè)計(jì)工況相比較皆不變。來(lái)自上游葉列的氣流方向也為某固定值。但是，由于流動(dòng)是非定常的、三維的以及有粘的，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)上游葉列的氣流落后角相當(dāng)困難。此外，上游葉列與本研究葉列存在不可避免的制造與安裝誤差。這樣以來(lái)，在實(shí)際汽輪機(jī)中來(lái)流對(duì)實(shí)驗(yàn)葉柵必然有沖角發(fā)生，因此考察實(shí)驗(yàn)葉柵的變沖角特性是十分必要的。1仿真模型及邊界條件對(duì)高壓級(jí)靜葉柵在100、00、一100沖角下進(jìn)行了數(shù)值模擬，仿真模型如圖1所示。數(shù)值模擬采用Ansys．CFX軟件，其中網(wǎng)格由Icem軟件包生圖1渦輪葉型成。圖2為葉柵頂部H、O、I組合計(jì)算
3、網(wǎng)格，進(jìn)口段網(wǎng)格為H形、葉片流道段為O形、出口段為I形網(wǎng)格。仿真邊界條件為；進(jìn)口總壓6MPa，進(jìn)口溫度650K，出口靜壓為5．8MPa，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為120萬(wàn)，數(shù)值仿真湍流模型為k-6模型。圖2S。流面網(wǎng)格2沖角變化對(duì)表面靜壓系數(shù)的影響靜壓系數(shù)用C。。表示。圖3表示在不同沖角下靜壓系數(shù)沿葉型的分布圖，圖中分別選取了葉頂、葉展中部和葉根3個(gè)截面的靜壓系數(shù)圖。由圖3可以發(fā)現(xiàn)本葉型的后加載特性，即在葉頂0．6相對(duì)軸向位置附近處壓力差達(dá)到最大值，葉根是在0．8相對(duì)軸向位置處達(dá)到最大值。前后掠葉型都沒(méi)有改變?cè)腿~片的后部加載特性，沖角變化·馮子明，男，1973年3月生
4、，講師。黑龍江省大慶市，163318。第37卷第1期化工機(jī)械7l后最低壓力點(diǎn)沒(méi)有改變，即在lO。、0。、一10。沖角下最低壓力點(diǎn)重合。壓力面0．2—1軸向弦長(zhǎng)范圍內(nèi)靜壓系數(shù)沒(méi)有隨沖角的變化而變化，3個(gè)沖角下的靜壓系數(shù)曲線重合。吸力面上在最低壓力點(diǎn)到尾緣范圍內(nèi)的3個(gè)沖角下的靜壓系數(shù)曲線基本都是重合的。說(shuō)明仿真葉片具有大前緣圓徑的后加載葉柵的優(yōu)良特性‘∽1。圖3中一10。沖角下靜壓系數(shù)曲線包絡(luò)的面積最小，葉片在最低壓力點(diǎn)之前的橫向壓力差最小，減弱了橫向二次流；O。沖角下次之；10。沖角下最大。a．10％葉高截面b．50％葉高截面c．90％葉高截面圖3沖角變化對(duì)靜
5、壓系數(shù)沿葉型分布的影響圖4為葉片靜壓系數(shù)等值線分布。在吸力面上由于葉型是正彎葉片，在葉片前部靜壓曲線為圖4葉片表面靜壓系數(shù)等值線分布72化工機(jī)械2010矩c型壓力曲線，這有助于把端壁的低能流體卷吸到主流減小損失¨一J。正沖角時(shí)C型壓力梯度變小，而在負(fù)沖角時(shí)壓力梯度變大，較大的C型壓力梯度有利于減弱上下端壁橫向二次流，減小低能附面層的厚度。過(guò)了最低壓力點(diǎn)后壓力梯度變?yōu)檎?，但是由于葉片為后加載葉片，在正壓力梯度下逐漸加厚的附面層還沒(méi)來(lái)得及分離，就達(dá)到了尾緣。壓力面上靜壓系數(shù)等值線大部分呈現(xiàn)與上下端壁幾乎正交的微弱C型曲線。說(shuō)明壓力面上邊界層流動(dòng)差不多都是二維流
6、動(dòng)，盡管靜壓系數(shù)等值線的彎曲度很小，但仍然有利于從上游流來(lái)的邊界層低能流體向主流均勻擴(kuò)散。改變沖角對(duì)壓力面等值線的分布影響很小。圖5表示在3種沖角條件下葉柵出口處節(jié)距平均總壓損失系數(shù)沿著葉展方向的分布比較圖。由圖5可知，一100沖角下平均總壓損失最小，100沖角損失最大。在葉展0．05和0．9相對(duì)葉高處總壓損失達(dá)到最大，負(fù)沖角的損失峰值最小，正沖角損失峰值最大。仿真葉片為正彎葉片，圖5中上下端部附近出現(xiàn)的損失峰值表明：葉片正彎在一定程度上強(qiáng)化了通道渦，在彎葉片形成的C型壓力梯度作用下，通道渦被抬起向葉片中部遷移，使得通道渦能夠更加有效地將端部附近的低能流體輸
7、運(yùn)到主流，被主流帶走，降低了端壁附近的損失，但是中部損失稍有增加。損失峰值的分布規(guī)律是：葉片正彎后，損失峰值向葉片中部遷移。越圖5節(jié)距平均出口總壓系數(shù)沿葉展分布圖6表示正彎渦輪葉片流道內(nèi)的三維流線的流動(dòng)規(guī)律，在流道內(nèi)流線基本沿著葉型曲線流動(dòng)。在大部分區(qū)域內(nèi)看不到二次流存在，說(shuō)明仿真葉型具有良好的氣動(dòng)性能，流道內(nèi)多為二維流動(dòng)，葉片表面也多為層流，很好地控制了紊流的發(fā)生，從而減少了紊流引起的損失。圖6葉柵內(nèi)三維流線3結(jié)論仿真葉片的后加載特性具有很好的沖角適應(yīng)性，在壓力面和吸力面的大部分范圍內(nèi)沖角變化沒(méi)有改變表面的靜壓分布，但是負(fù)沖角能夠提高葉片的效率，而正沖角降
8、低了效率。葉片的彎曲可以減弱上下端壁的二次流，使端壁
