考虑转捩影响的压气机叶型流动特性数值模拟

第55卷第6期2013年L2月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0155NO6DEC2OL3考虑转捩影响的压气机叶型流动特性数值模拟张猛海军装备部驻沈阳地区军事代表局，沈阳L10031摘要通过采用在SST湍流模型基础上发展形成的YRE转捩模型对某型可控扩散叶型进行了变冲角的数值模拟研究，并与试验结果和LES计算结果进行了比对。结果表明，SST一RE转捩模型对叶型型面静压分布的模拟较为准确；在负冲角流动状态下对叶型的气动性能模拟比LES的结果更为贴近试验实际所得，但在正冲角流动状态下的模拟结果仍有提高的空问。关键词转捩；压气机；叶型；流动特性；数值模拟分类号TK472文献标识码A文章编号10015884201306043402NUMERICALSIMULATIONOFFLOWCHARACTERISTICSOFCOMPRESSORAIRFOILSBASEDONTRANSITIONMODELZHANGMENGMILITARYREPRESENTATIVEBUREAUOFTHENAVALARMAMENTDEPARTMENTOFCHINESEPLARESIDENTINSHENYANGREGION，SHENGYANG，L10031，CHINAABSTRACTINTHISPAPER，一RETRANSITIONMODELDEVELOPEDONTHESSTTURBULENCEMODELISUSEDINTHENUMERICALSIMULATIONSTUDIESOFACERTAINTYPEOFCONTROLLEDDIFFUSIONAIRFOILSABOUTITSVARIABLEINCIDENCEFLOWCHARACTERISTIC，ANDCOMPAREDTOTHERESULTSOFTHELESANDEXPERIMENTSTHERESULTSSHOWTHAT，SSTRETRANSITIONMODELFORSIMULATIONOFBLADESURFACESTATICPRESSUREDISTRIBUTIONISMOREACCURATE；UNDERTHEINFLOWCONDITIONSOFNEGATIVEINCIDENCE，THEAIRFOILAERODYNAMICPERFORMANCEISCLOSERTOTHEACTUALEXPERIMENTRESULTTHANTHELESSIMULATION，BUTNOTTHEPOSITIVEINCIDENCEINFLOWCONDITIONSKEYWORDSTRANSITION；COMPRESSOR；AIRFOIL；FLOWCHARACTERISTIC；NUMERICALSIMULATION0前言黏性流动中，层流向湍流的转捩过程自其1983年由雷诺发现至今，已受到广大学者的广泛关注。尤其在燃气轮机内，转捩是普遍存在的过程，对于转捩起始点、转捩区长度的预测和控制可以有效地改善压气机效率，提高设计水平。本文旨在通过采用RANS湍流模型加转捩模型的方法数值模拟叶型的变攻角流动特性。1数值方法，一C，模型、SST模型等低雷诺数湍流模型在工程中对于复杂湍流流动的预测已体现出相当的应用价值，但其在靠近壁面的黏性底层层流流动处仍采用“阻尼函数”来进行模拟，转捩过程纯粹由具有一定模式的数值特性引起，并未有相应的物理背景，不能真正的模拟出转捩流动的过程。为了满足工业设计的要求，MENTER和LANGTRY在SST模型基础之匕，发工曼旦G的阊歇因子的输运方程，并加入收稿日期20130909作者简介张猛1977，男，工程师，现从事专业动力机电管理。了动量厚度雷诺数RE的输运方程，通过比较当地局部变量来判断转捩，被称为YRE转捩模型。MENTER和LANGTRY的一RE转捩模型的建立是基于转捩临界动量厚度雷诺数与自由流的湍流强度和压力梯度之间的经验公式，同时利用输运特性，充分考虑自由流对边界层的影响，通过引入动量厚度雷诺数输运方程以避免单纯使用经验公式来预测转捩。本文中基于转捩的计算主要采用商业软件CFX中集成的RE转捩模型，基于课题组前期对于转捩模型的研究，本文采用RE转捩模型的二方程模型GAMATHETA。研究叶型选用SANGER于1983年提出的可控扩散叶型，其中试验结果由ELAZAR和SHREEVE于1990年完成J。计算网格由商业软件NUMECA的AUTOGRID5模块生成，根据经验设置近壁面第一层网格厚度0001MM以确保壁面Y1。网格拓扑结构选择为4OH，叶型周围采用0型贴体网格，进出口及流道中部采用H型网格，网格总数63730。叶型的特性试验在雷诺数400000770000的条件下进行，特征速度和长度分别取为进口自由流速度和叶型弦长01273M，网格进出口段分别取05个弦长和2个弦长。数值模拟的进口条件103ATM，通过调节出口背压使得进口马赫数与试验实际测第6期张猛考虑转捩影响的压气机叶型流动特性数值模拟435得马赫数吻合，如表1所示。图1数值模拟所采用的网格表1数值模拟流动特性2数值模拟结果与试验对比分析叶型几何，得到进口的几何气流角为40。，这就可以看出试验方案15的气流角小于叶型的几何气流角，造成进口负冲角的流动状态，试验方案69中气流角大于几何气流角，造成进口正冲角的流动状态。叶型型面的静压分布通过静压系数表示，图2为SSTRE转捩模型计算所得的型面静压系数分布与试验结果的对比。40。为零冲角时叶型表面的静压特性，2449。为负冲角的流动状态，相对应的，4290。和4596。为正冲角时的叶型表面静压特性，由图中可以明显看出不同冲角下型面静压分布在前缘附近的变化。在负冲角的流动状态下，气流流向垂直于叶片吸力面，导致叶片吸力面靠近前缘处有一个压力极大点，静压甚至高于压力面，之后气流在鞍点处分裂成吸力面和压力面两股气流，吸力面的静压也随之降低，因此，型面静压分布线会在靠近前缘处形成一个静压系数线的交点，SSTRE转捩模型对这一试验现象的模拟基本与试验结果吻合。在正冲角的流动状态下，气流的流动方向垂直于叶片压力面，导致静压极大值点存在于叶片压力面，吸压力面在前缘附近的静压差距愈加明显，在型面静压分布上体现为前缘附近压力面的静压系数远大于吸力面，数值模拟与实际试验所得的结果基本吻合。由静压系数的比较可以证明SSTRE转捩模型对低雷诺数下的叶型型面静压特性的模拟与试验结果吻合较好，可以对实际流动状况做出较为准确的型面静压分布模拟。图3展示的是不同冲角下的总压损失特性图，本文针对实际的试验条件进行若干攻角下的数值计算，进口总压采用试验实际测得的数据，通过调节出口背压来使得进口的马赫数也和试验实际测得的入口马赫数相吻合。图中比较了本文计算所得的结果、试验结果以及PAGE_9于2011年通过LES的方法计算所得的结果。由图中可以看出，在负冲角的10050一05一L0一L52025OO2O4O6O81OX|C2449。002040608L0X|CCP4290。O02040608I0X|CP4O00。00204060810XCD4596。图2不同冲角下的型面静压系数分布图流动状态下，SSTRE转捩模型计算所得的结果与试验结果吻合的较好，在28。和2195。冲角下所得的总压损失系数几乎与试验所得完全吻合，比LES的计算结果更为贴近实际。但在正冲角的流动状态下，SSTRE转捩模型计算所得的结果和LES计算所得的结果均较试验所得偏小，SST一RE转捩模型计算的结果较LES的偏差更大，且这种差距随着正冲角的增大而愈发明显。2025303540455O进口气流角，。图3不同冲角下的总压损失系数特性图3结论本文采用SST湍流模型加上TRE转捩模型数值模拟了SANGER于1983年提出的可控扩散叶型在不同攻角下的型面静压分布和变冲角气动性能，并与试验和LES数值模拟结果进行了比较。得出结论如下1SST一RE转捩模型对不同冲角下的叶型型面静压分布的模拟较好，数值模拟结果与试验结果基本吻合；2SSTRE转捩模型在负冲角流动状态下对叶型的气动性能模拟较为准确，比LES的结果更为贴近试验实际所得，但在正冲角流动状态下的模拟结果仍有提高的空间。下一步工作中将会对转捩模型中的相关经验公式进行标定，进一步提高转捩模型在正冲角流动状态下对气动性能模拟的准确性。下转第439页5O50505OLL00112505O5050L0J000008第6期徐婧等考虑轴系温度分布时扭振四端网络模型的修正439辑1轴向位置M图10模态2第2个节点附近振型起较大的扭振危险截面疲劳寿命累积误差。许多现场扭振监测和保护设备在进行次同步振荡下轴系危险截面扭角的计算时，通常采用在机头安装传感器测得机头扭角，并对其进行模态滤波，然后根据配置好的振型数据，通过模态叠加法计算得到危险截面处的扭角响应。如果已知机头处的某阶模态下的扭角响应，T，那么截面处的该模态下的扭角响应可以表示为MR、00，T9式中，妒和为该模态下的任意截面处和机头传感器处的振型值。不妨假设要通过机头扭角计算轴向位置在175M处的截面振型值为一003的第1阶扭角值，在扭角测量精度一定的情况下，根据图6和图7中的数值，结合公式9可算得该截面常温下的扭角值将比考虑温度分布后计算得到的扭角值大522左右，这将引起较大的疲劳寿命损耗累积误差。尤其对于以疲劳寿命损耗累积值作为保护动作之一的扭振保护装置，如果不认真考虑温度分布对振型的影响，极有可能引起装置的误跳或者拒跳，对机组运行的安全性产生较大影响。4结论考虑了轴系温度分布对扭振固有特性的影响，对四端网络模型进行了修正。以某660MW超临界汽轮发电机组轴系为例，探讨了考虑温度分布时，轴系扭振固有频率、振型的变化情况，并分析了固有特性变化对轴系疲劳寿命损耗累积值和机组安全性的影响，得到的主要结论如下1考虑轴系温度分布的扭振系统四端网络模型在分析汽轮发电机组扭振特性时简便快捷，更贴近于实际情况，计算结果可信度更高。2考虑轴系温度分布时，各阶扭振固有频率都有所降低，降低的幅度有大有小；固有频率降低后，就要重新考虑轴系发生共振的可能，尤其是在输电线路安装串联电容补偿装置时，应合理设计串补度大小，以避开共振频率，防止次同步振荡的发生。3考虑温度分布后，振型发生轻微的变化，由于振型体现的是一种比例关系，这种微小的数值变化可能引起较大的扭振危险截面疲劳寿命累计误差。尤其对于以疲劳寿命损耗累积值作为保护动作之一的扭振保护装置，应认真考虑温度分布对振型的影响，防止出现装置误跳和拒跳。参考文献1顾煜炯汽轮发电机组扭振安全性分析与应用M北京科学出版社，20132和鹏，白菲菲，张鹏，等电力系统次同步振荡轴系模型研究J电力系统保护与控制，2012，4041071123庞乐，陈东超，克成瑜，等基于ANSYS的汽轮发电机组轴系扭振模态分析J华东电力，2011，3934594624顾煜炯，杨昆，何成兵，等基于四端网络法的汽轮发电机扭振特性仿真J中国机械工程，1999，1055405425何成兵，顾煜炯，李增志汽轮发电机组轴系扭振模型一四端网络模型的完善J汽轮机技术，2002，4442132156晏水平，黄树红汽轮发电机组转子温度分布对其扭转振动的影响J中国电机工程学报，2000，201110127XIAORONGXIE，YIPENGDONG，YINGDUOHANONLINEESTIMATIONOFTURBINEGENERATORSHAFTFATIGUELOSSOFLIFECAUSEDBYSUBSYNCHRONOUSRESONANCEJELECTRICPOWERSYSTEMSRESEARCH，2012，92171179上接第435页参考文献1王娥，杜鑫，温风波，等地面重型燃气轮机压气机叶型的优化设计J汽轮机技术，2010，5219122祝海义，秦利峰，郭玉波，等转捩模型在静叶栅三维黏性流数值模拟中的应用研究J汽轮机技术，2003，45296983曾令君，马千里雷诺数对压气机性能影响的数值模拟J汽轮机技术，2008，5053253304MENTERFR，LANGTRYRB，LIKKISR，SUZEN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