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第54卷第6期2012年12月汽轮机技术TURBINEIECHNOLOGYVO154NO6DEC2OL2汽轮机调节级导叶片前缘优化研究张攀,王鹏,谷晓刚,徐则林,杨涛1国电科学技术研究院北京电力技术研究分院,北京100081;2北京航天航空大学,北京100091摘要对原有调节级导叶进行测绘,基于测绘得到的叶型,用多项式构造不同的前缘形状。通过CFX建立模型,对前缘附近的流动进行了计算分析。通过对不同前缘形状下压力峰和分离泡出现的位置和大小进行比较分析,得到了最优的前缘形状。前缘型线优化后,由于压力峰的减小,分离泡基本消失,调节级中的等熵效率提高了031。关键词叶片前缘;优化;等熵效率;耗散系数分类号TK262文献标识码A文章编号10015884201206044203RESEARCHONOPTIMIZATIONOFADJUSTMENTGUIDEVANELEADINGEDGEFORTHESTEAMTURBINEZHANGPAN,WANGPENG2,GUXIAOGANG2,XUZE1IN,YANGTAO1GUODIANSCIENCETECHNOLOGYRESEARCHINSTITUTEBEIJINGPOWERTECHNOLOGYRESEARCHBRANCH,BERING100081,CHINA;2BEIHANGUNIVERSITY,BEIJING100191,CHINAABSTRACTTHEORIGINALLEVELADJUSTMENTGUIDEVANEOFSURVEYINGANDMAPPING,BASEDONSURVEYINGANDMAPPINGOFTHEFOLIAGEGOT,WITHPOLYNOMIALSTRUCTUREOFDIFFERENTFRONTSHAPETHROUGHTHECFXMODELBUILDING,CALCULATEANDANALYZETHEFLOWNEARTHELEADINGEDGETHROU01DIFFERENTPRESSUREPEAKUNDERTHEFRONTSHAPEANDSEPARATIONBUBBLEAPPEARTHESIZEANDLOCATIONOFTHECOMPARISONANDANALYSIS,ANDOBTNEDTHEBESTFRONTSHAPEFRONTTYPELINEAFTEROPTIMIZATION,DUETOTHEDECREASEOFTHEPRESSUREPEAK,SEPARATIONBUBBLEBASICDISAPPEARANCE,ANDADJUSTINGTHELEVELOFEFFICIENCYINCREASEDBY031ANDENTROPYKEYWORDSLEADINGEDGE;ADJUSTMENT;ISENTROPICEFFICIENCY;DISSIPATIONCOEFFICIENT0前言叶片前缘的流动结构对汽轮机的性能有显著的影响,通过对前缘形状进行优化可以提高工质在叶片中的流动效率。当前主流的叶型设计方法几乎都是对吸力面和压力面分别造型,然后在前、尾缘位置用圆弧进行连接,这种设计方法得到的线型在叶身曲线和前、尾缘圆弧连接的位置仅能保证曲线的一阶导连续,即线型的曲率是不连续的。这将导致叶型吸力面侧的前缘附近极易出现吸力峰。吸力峰之后的强逆压梯度和剧烈变化的线型曲率往往使该区域出现流动分离,即所谓的前缘分离泡,叶型边界层的时空演化规律将随之改变,很可能对气动性能造成难以接受的影响。本文基于多项式的造型方法来对叶型前缘进行造型,以实现前缘线型与叶身线型的曲率光滑过渡,从而减少叶型损失。通过对不同前缘形状的叶型分别进行数值模拟,分析了前缘形状对前缘吸力峰、分离泡以及叶型边界层的影响,进而对前缘形状进行优化。1叶型测绘与前缘模型构造原喷嘴叶片是直叶片,所以只要得到任意一个截面的几FF,EH叶片高、进出口角度等其它结构数据,就可以收稿日期20120521作者简介张攀1984一,男,工程师,火电机组节能研究。得到叶片的三维图形。通过测绘得到原导叶叶型的截面图,如图1所示。、图1测绘得到的喷嘴的截面本文采用基于多项式的造型方法对前缘形状进行造型。表达式如下詈旦CC一,CI其中,坐标原点取在前缘点,为沿叶型中弧线的尺寸,Y为叶型半厚度,C为参考尺寸,代表多项式。该表达式的第一厂_项决定了该线型在前缘点0过中弧线前缘点Y0,亦即叶型前缘点且垂直于中弧线Y。一O。,这确保了该线型具有叶型前缘的形状。表达式第二项SFX1决定第6期张攀等汽轮机调节级导叶片前缘优化研究443了该线型的具体形状,即该前缘的厚度分布、曲率分布等。鉴于对前缘线型需要满足的物理量主要有前缘点曲率半径、前缘线型与叶身线型连接点坐标、斜率、曲率等,分别构造出两组不同形状的前缘形状。第一组前缘分别为圆形线型CIRCULAR以及与之前缘点曲率半径相同、前缘长度分别为1倍E1L0、15倍EL15和2倍EL20叶片前缘附近半厚度的线型,该组前缘点的曲率半径等于叶片前缘半厚度;第二组前缘分别为长宽比为2的椭圆线型E2以及与之前缘点曲率半径相同、前缘长度分别为2倍E220、25倍E225和3倍E230叶片前缘半厚度的线型,该组前缘点的曲率半径等于叶片前缘半厚度的一半。两组前缘几何的比较由图2给出,可以看到,各方案前缘点附近的厚度分布基本相同,这是因为各方案的前缘点曲率半径是相同的。图2不同叶型前缘形状比较2计算与分析当前对叶片气动优化设计研究普遍选用CFD技术,并得到广泛的应用J。本文选用CFX软件求解三维定常粘性雷诺平均NS方程,数值方法采用时间追赶的有限体积法,空间离散采用二阶迎风格式,时间离散应用二阶后差欧拉格式,使用多重网格技术加速收敛,选用SST湍流模型。计算模型和网格如图3所示,计算网格采用ICEM生成,单层网格总数约7万,网格扩张比小于11,并对前缘附近进行了加密处理。工质选用纯态的水蒸汽,使用IAPWSIF97水蒸汽性质表,采用表格的形式建立J。为了定性和定量比较前缘附近的流动损失,用耗散系数B的分布反映流动损失的情况。计算公式如下詈U詈一罢2图3前缘附近的网格划分式中,U为湍动速度,MS;、,分别为向和,向上的分速度,MS;为总速度,MS。第一组的4种前缘计算结果由图4给出。从图中可以清楚地看出各种线型的前缘之后的分离泡,图中第一个峰是压力峰,压力峰后的第二峰是分离泡出现的位置。与圆形前缘相比,E1L0方案的分离泡尺寸在流向和法向均有所增大由峰的峰值和长度可以看出,EL15和EL20方案的分离泡尺寸则明显减小,其中EL20方案中的分离泡最小。从压力云图中可以看出,在圆形前缘和EL1O方案中均存在较大的低压区域,并且压力更低,而另外两个方案中的低压区域明显减小。各方案吸力峰幅值的比较由图4给出,可见EL10方案的吸力峰幅值比圆形前缘要大,而ELL5和EL20方案的吸力峰幅值要小于圆形前缘,此规律与分离泡尺寸的变化规律一致。比较图4中给出的分离泡的位置和吸力峰的位置,可以看到前缘分离泡出现在吸力峰之后,这是吸力峰之后的强逆压梯度带来的结果。定义吸力峰之后的压力与吸力峰最小压力之间的差值为吸力峰的强度,则EL20方案吸力峰强度降低的幅度在7左右。第二组的4种前缘计算结果由图5给出,同第一组的分析相同,第二组的压力峰和分离泡都明显要小于第一组。E230型线的前缘中的分离泡基本消失,E230为最优的前缘形状。图4第一组沿流向的能耗系数比较3优化前后的比较析如图6所示,通过对原调节级导叶片的前缘进行样条插值并构造曲线,发现原

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