汽輪機(jī)葉頂間隙泄漏流動(dòng)的數(shù)值研究.pdf

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1、742化工機(jī)械2011鉭汽輪機(jī)葉頂間隙泄漏流動(dòng)的數(shù)值研究+曹麗華”胡鵬飛李勇周云龍(東北電力大學(xué))摘要采用K·tosst湍流模型，應(yīng)用SIMPLEC算法對(duì)汽輪機(jī)葉頂間隙內(nèi)的泄漏流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了葉頂間隙泄漏流動(dòng)對(duì)葉頂靜壓分布、吸力面壓力分布、湍動(dòng)能和葉片表面壓力系數(shù)的影響。由于葉頂間隙的存在，間隙泄漏流使葉頂靜壓分布產(chǎn)生波動(dòng)，在葉片吸力面靠近葉頂處出現(xiàn)低壓區(qū)．且造成葉片表面壓力系數(shù)降低。隨著間隙高度的增加，上述特征更為明顯。關(guān)鍵詞汽輪機(jī)葉頂間隙葉頂泄漏渦數(shù)值模擬中圖分類(lèi)號(hào)TQ051．21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0254．6094(2011)06-07

2、42--04為了避免汽輪機(jī)中動(dòng)葉頂部與汽缸壁發(fā)生碰磨，需留有一定的間隙，在動(dòng)葉壓力面和吸力面之問(wèn)壓力差的作用下，動(dòng)葉通道內(nèi)的部分蒸汽會(huì)進(jìn)入葉頂間隙處，從而形成間隙流動(dòng)，最后以射流的形式從動(dòng)葉頂部泄漏到主流通道內(nèi)，與主流相互作用，形成泄漏渦。泄漏流的存在阻礙了通道內(nèi)的主流流動(dòng)，導(dǎo)致主流能量損失增加、汽輪機(jī)效率下降，還有可能引起轉(zhuǎn)子失速等惡性問(wèn)題，嚴(yán)重破壞了汽輪機(jī)安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的運(yùn)行。目前關(guān)于間隙流動(dòng)問(wèn)題的研究主要集中在壓氣機(jī)中?，而汽輪機(jī)葉片的載荷、轉(zhuǎn)角和葉片厚度都大于壓氣機(jī)葉片的，且汽輪機(jī)葉片需承受高溫高壓，間隙流速大，因此汽輪機(jī)葉頂間隙內(nèi)的流動(dòng)比壓氣機(jī)

3、中的更為復(fù)雜嵋“一。此外，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)葉頂間隙較小而且汽缸壁相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與間隙內(nèi)蒸汽流動(dòng)方向相反，很難進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，因此，對(duì)汽輪機(jī)葉頂間隙內(nèi)泄漏流動(dòng)特性研究的一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。豈興明等¨。討論了葉頂間隙形態(tài)的設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題，優(yōu)化后的渦輪絕熱效率提高了0．395％。許開(kāi)富等¨。對(duì)渦輪級(jí)轉(zhuǎn)子的葉頂間隙流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出間隙流對(duì)70％葉高到葉頂位置的流場(chǎng)有明顯影響。ZhangYF等_1對(duì)跨音速壓氣機(jī)葉頂間隙泄漏流動(dòng)進(jìn)行了定常與非定常的研究，得出泄漏流動(dòng)隨時(shí)間發(fā)展變化的規(guī)律。牛茂升等¨’91分析了間隙高度變化和機(jī)匣相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)渦輪間隙內(nèi)部流動(dòng)的影響。

4、李軍等¨0’”1對(duì)汽輪機(jī)動(dòng)葉不同間隙情況下的間隙泄漏流動(dòng)進(jìn)行了分析，可知流動(dòng)損失會(huì)隨著間隙的增大而增大。楊佃亮等¨2“41研究了燃?xì)馔钙街邪疾蹱钊~頂非定常泄漏流動(dòng)和傳熱問(wèn)題，可知定常與非定常的平均傳熱系數(shù)相差很小。筆者通過(guò)建立某300MW汽輪機(jī)高壓級(jí)物理模型，應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)帶間隙動(dòng)葉頂部三維粘性流體的流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了其葉頂間隙對(duì)壓力分布、蒸汽的三維流動(dòng)、流場(chǎng)的壓力損失和泄漏渦的影響。1物理模型和數(shù)值方法1．1物理模型及網(wǎng)格劃分筆者所建立的300MW汽輪機(jī)物理模型高壓級(jí)幾何尺寸見(jiàn)表1。表1某300MW汽輪機(jī)高壓級(jí)幾何尺寸+吉林市科技發(fā)

5、展計(jì)劃資助項(xiàng)目(201030003)和東北電力大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助?！Р茺惾A，女，1973年10月生，副教授。吉林省吉林市，132012。第38卷第6期化工機(jī)械743在GAMBIT中建立葉柵通道及間隙的物理模圖1葉柵通道及葉頂間隙物理模型和網(wǎng)格劃分1．2數(shù)值方法應(yīng)用FLUENT軟件，選擇K-O)SSr湍流模型，采用SIMPLEC算法求解壓力一速度耦合，對(duì)流項(xiàng)選二階迎風(fēng)格式。汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為3000r／min，靜葉與動(dòng)葉的個(gè)數(shù)比為1：1，采用旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件劃分出流體區(qū)域，動(dòng)靜交界面采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，葉片表面和上、下端壁面應(yīng)用無(wú)滑移壁面條件，其計(jì)算邊

6、界條件為：人口溫度4708。C、人口壓力lO．697MPa、出口壓力9．985MPa、葉片轉(zhuǎn)速3000r／rain。介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽。速度精度為10～，能量精度為10～，平均約為500步收斂。2計(jì)算結(jié)果及分析2．1葉頂截面靜壓分布從圖2可以看出，葉頂處的靜壓波動(dòng)主要出現(xiàn)在動(dòng)葉吸力面處，主要體現(xiàn)為壓力高與壓力低間隔的存在，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與靜葉片的尾跡不斷通過(guò)動(dòng)葉通道有關(guān)；由于動(dòng)葉壓力面附近的流體因壓差的作用被吸人葉頂間隙時(shí)，動(dòng)葉頂部間隙壓力面處形成蒸汽回流在動(dòng)葉壓力面的前緣部分存在壓力較低的區(qū)域。蒸汽不能像動(dòng)葉壁面一樣做折線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此在壁面轉(zhuǎn)折處會(huì)有漩渦生

7、成。回流形成的分離泡，造成蒸汽能量的損失。單付h-薏}i羔：善_囂雌位：PH-!蓍：謄援=1-蠢靜壓分布分別比較間隙高度r為l、2mm的靜壓分布，可知間隙高度為2mm時(shí)泄漏流動(dòng)與通道內(nèi)主流的干涉更為強(qiáng)烈，造成的損失更大。2．2動(dòng)葉吸力面處的壓力分布由于間隙泄漏渦的存在，導(dǎo)致在動(dòng)葉吸力面靠近頂部的位置出現(xiàn)低壓區(qū)域。如圖3所示，隨著間隙泄漏渦沿著軸向發(fā)展，泄漏渦逐漸遠(yuǎn)離吸力面，與通道內(nèi)的主流摻混，這時(shí)在吸力面靠近葉頂?shù)牡蛪簠^(qū)域也逐漸消失。管圓圖3不同間隙下葉片吸力面壓力分布比較圖3中不同間隙高度時(shí)的吸力面壓力分布可以看到，當(dāng)間隙高度為1mm時(shí)，泄漏流而產(chǎn)生

8、的低壓區(qū)域在距動(dòng)葉前緣2／3個(gè)軸向弦長(zhǎng)時(shí)出現(xiàn)；間隙高度為2mm時(shí)，在距動(dòng)葉前緣1／5處就出現(xiàn)了