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文档简介

第53卷第6期2011年12月汽轮机技术TURBINETECHN0LOGYV0153NO6DEE2011某三级半压气机顶隙变化影响的数值研究吕智强,刘西利,冯永志,张宏涛哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046摘要采用NUMECA软件FINETURBO模块对某三级半压气机热稳态模型在不同顶隙条件下的内部流场进行了数值模拟,给出了不同间隙对整级和各级气动性能的影响,计算结果表明叶顶间隙的变化改变了压气机运行特性曲线,适当小的间隙可以获得更高的效率和压比,各级的特性匹配不佳,前两级匹配还有改进的余地。关键词叶顶间隙;变化;压气机;气动;数值模拟分类号TH4748文献标识码A文章编号10015884201106042904NUMERICALSTUDYOFEFFECTONDIFFERENTTIPGAPSINATHREEANDAHALFSTAGESCOMPRESSORLVZHIQIANG,LIUXILI,FENGYONGZHI,ZHANGHONGTAOHARBINTURBINECOMPANYLIMITED,HARBIN150O46CHINAABSTRACTNUMEFICSIMULATIONOFINTERNALFLOWINATHREEANDAHALFSTAGESEOMPRESSORWITHDIFFERENTTIPGAPSISCARRIEDOUTBYUSINGFINETURBOMODULE,ANUMECASOFTWAREPACKAGETHEPAPERGETSTHEEFFECTOFDIFFERENTTIPGAPSINBOTHTHEWHOLESTAGESANDEVERYSTAGETHERESULTSHOWSTHATTHECHANGEOFTIPGAPSCOULDCHANGETHECOMPRESSORRUNNINGCHARACTERISTICLINE,ANDASUITABLETIPGAPCOULDGETHIGHEREFFICIENCYANDHIGHERPRESSURERATIO,CHARACTERISTICSOFSTAGESDONTMATCHEACHOTHERWEL1PRETWOSTAGESCOULDHEIMPROVEDTOGETABETTERMATCHKEYWORDSTIPGAP;VARIATION;COMPRESSOR;AERODYNAMICS;NUMERICMSIMULATION0前言在轴流压气机中,由于叶顶间隙的存在,叶顶间隙泄漏流就不可避免,而叶顶间隙泄漏流的复杂性和试验手段的限制以及现在计算机和计算技术的发展,已经使数值模拟成为研究叶轮内部复杂流动的重要有效的工具。在叶轮机械里,叶片顶部间隙对叶轮机械的性能有很大的影响,叶顶泄漏损失约占压气机总损失的三分之一。由于叶轮机械顶部间隙的泄漏不仅改变了该列叶栅通道内的流场,而且改变了下一级叶栅的进气条件,从而可能影响整台叶轮机械性能的稳定,因此在设计过程中考虑叶顶泄漏的影响是非常重要的。较小的顶部间隙往往可以改善叶栅的性能,而过大的顶部间隙又会使性能下降,这是顶部泄漏流动对叶轮机械影响的双重性。由于叶顶间隙泄漏流动高度的三维特性,且间隙尺寸小,试验测量困难,所以一直是国内外气动热力学领域研究的难点。叶顶泄漏流动的研究始于上世纪50、60年代。到目前为止,对压气机顶部泄漏的一些研究成果有间隙内的流体在叶片压力面和吸力面压差的作用下从间隙内穿过,流到相邻通道,并与通道内主流流体进行掺混造成损失;间隙的大小和形状对压气机总体性能影响很大,间隙增加,泄漏增加,压气机效率降低,;泄漏流动会受到前排静叶尾迹收稿日期20110507的影响,流动特征发生变化,会导致损失和堵塞减少,压升增加;泄漏流动本身也具有明显的非定常脉动特征,下游的压力场对泄漏流动的频率有一定的影响,频率大小与叶片负荷有关;压气机的工况变化对泄漏流动的频率也有影响,动叶负荷提高,泄漏流的波动频率减小J。总的来说,间隙泄漏的存在导致压气机性能降低。如马文生,顾春伟对压气机叶顶间隙对效能的影响进行了研究J,发现叶顶间隙对压气机总体性能影响很大,随着顶部间隙的增加,压气机流量和效率均下降,且建议顶部间隙选取在051倍设计间隙之间。刘长胜等人对某离心式压气机叶顶间隙的影响进行了研究,认为,叶顶间隙的存在使离心压缩机性能下降,在大间隙时影响非常显著。毛明明,宋彦萍等人对某跨音轴流压气机间隙的影响进行了研究,发现,间隙泄漏和激波作用的下游出现了一片低能流体区,造成顶部区域的通流堵塞,并加重了顶部分离损失;叶顶间隙明显减小了叶顶和叶根处的压比、效率、流量和气流折转角。本文通对某轴流压气机三级半热稳态模型在不同叶顶间隙下进行了数值计算,研究了不同顶隙下级性能的变化以及泄漏流动情况,探讨了不同间隙大小对压气机级性能的影响以及该型压气机当前的级匹配特性。1数值方法和网格模型采用NUMECA商业软件包FINETURBO,求解三维REYN一基金项目国家863计划重型燃气轮机重大项目资助项目编号2008AA05A302。作者简介吕智强1973,男,吉林省九台市人,高级工程师,研究方向为压气机。430汽轮机技术第53卷OLDSAVERAGENS方程组。方程的空间离散采用有限体积法的二阶TVD迎风格式,时间项的离散采用4阶RUNGEKYTTA法显示格式,湍流模型使用SA方程模型。边界条件设置为给定计算域的进口总压、总温和进口气流角;出口给定静压。每个叶片排计算单个通道,给定周期性的边界,流固结合面给定固壁绝热边界。本文研究对象为某压气机进口导叶开始的三级半模型,包括进口导叶IGV、第0级STG0、第1级STG1、第2级STG2。网格由NUMECA软件包AUTOGRID模块生成,叶片体周围网格均用O型网格拓扑结构,整个计算域网格采用H一70一H型网格拓扑结构图1所示,顶部间隙采用碟形网格技术,提高网格质量。模型网格在径向给定185个点,在靠近端壁的区域进行加密,整体网格总数为9025535个节点,网格最小正交性大于25。,96的网格正交性大于72。图1压气机三级半模型计算网格2计算结果本文分别对动静叶顶部间隙设置了3个间隙值02MM、04MM、06MM,分别代表05倍顶隙、1倍顶隙、15倍顶隙,并分别进行了流场数值仿真计算。21总体性能影响图2表示不同间隙下三级半压气机流量的变化,可以看出,3种顶隙下这三级半压气机的流量变化不是很大,级顶隙值减小一倍和增加15倍压气机的流量变化不大,间隙值增加或减小50,流量变化02左右。7307250715煺7107057000010Z0304050607不同间隙值MM图2不同间隙下流量变化图3表示不同间隙下三级半压气机压比和效率的变化,可以看出,增大顶隙对效率影响较大,顶隙增加50,效率降低了016,而顶隙减少50,效率增加了004,这也说明了流场的恶化,效率会下降很快,而流场的改善,效率却增加较慢。顶隙变化50,压比变化了014。由此可见顶隙的大小对本压气机性能影响是很大,在条件允许的范围内,应该尽量的控制顶部间隙的大小,另外,可以看出,本文间隙变化对该述压气机的流量影响较小,对效率和压比影响较大。21882187218621852184218321822181一压彪一效率,、00102030405060流量KGS糌图3不同间隙下压比和效率变化曲线图4A、B给出的是3种间隙下三级半压气机的特性曲线图。可以看出,随着顶部间隙的增大,特性线向图中左下方偏移,而且间隙值越大,在靠近堵塞点附近偏移的量也越大,这说明间隙的大小会改变了压气机运行特性线,间隙越大,堵塞流量越小。089087085糌O83校081079077075LFH闻隙02BX二迥04_BX_1日_际U66906957007057107157207257302625242322212019流量KGS效率特性线一H间睛N2、一BCO4BX_J日JTO690695700705710715720725730流量KGS压比特性线图4三级半压气机特性曲线图5、图6、图7分别显示了三级半压气机STG0级、STG1级、STG2级特性线图。从图中可以看出,顶部间隙的大小对各级的影响规律是近似的,间隙的增大运行范围都会减小,间隙减小运行范围会增大。还可以看出,这三级特性不能完全匹配,三级中只有STG2在完全的运行特性线范围内,而STGO、STG1都是只在部分特性线运行范围内,级STG0表现地尤为明显。22顶隙大小对叶栅内部流场的影响下面对STG0级动叶栅不同顶隙值下内部流场的泄漏流动进行分析,如图8、图9、图

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