（动力机械及工程专业论文）大功率汽轮机静叶几何变形对气动性能影响的实验研究.pdf

摘要 摘要 为了研究哈尔滨汽轮机有限公司亚临界6 0 万千瓦汽轮机高压第九级静 叶改型设计的气动特性，了解流场结构，探索在冲角变化情况下流动损失增 长的原因，为高压静叶叶片设计提供依据：本文对原型和改型两套环形叶栅 在低速风洞下进行了不同冲角的吹风实验研究。原型叶栅为常规直叶栅，改 型设计采用了具有后部加载叶型的弯叶片。通过在实验叶栅前设置可调导叶 尾部位于0 0 、一1 0 。、+ l o o 三个不同位置获得三种工况。采用五孔探针测量了 栅前1 个、栅内5 个、栅后1 个轴向垂直面内的流场，测量了从叶顶到叶根 九个截面的表面静压分布，并对叶片表面和上、下端壁面进行了流场墨迹显 不a 通过实验数据的处理分析，得出总压损失系数沿流向的分布、节距平均 总压损失系数沿叶高分布、截面总压损失等值线分布、截面二次流分布、节 距平均静压系数沿叶高分布、叶片表面静压系数沿叶型的分布、叶片表面静 压分布等气动参数。 通过对以上实验结果分析，对两套叶型的综合性能给出了完整的评价。 与原型叶栅相比较，改型叶栅不仅在零冲角工况下明显降低了流动损失，而 且具有良好的变攻角特性。在设计工况下改型叶栅使流道内的流动状况更为 稳定，显著降低了二次流损失、端壁损失、吸力侧流动损失、尾迹损失。在 负冲角工况这种改善作用更为明显。而正冲角工况由于在改型叶栅吸力面一 侧流动损失的增长相对较大，导致叶栅的性能略有下降。但综合来说改型叶 栅的变工况性能要好于原型叶栅。本文实验证明：高压级静叶的改型设计是 成功的。 关键词：环形叶栅气动性能后部加载弯叶片二次流静叶栅 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h e s t u d y o ft h e a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e o ft h em o d i f i e d d e s i g n c a s c a d eo ft h eh i g hp r e s s u r es t a t i cc a s c a d e su s e di nt h e9 t hs t a g eo f6 0 0 m w s u b c r i t i c a ls t e a mt u r b i n em o d i f i e db yh a r b i nt u r b i n ec o l 1 p ，u n d e r s t a n d i n g f l o wf i e l ds t r u c t u r e ，f i n d i n go u tt h er e a s o nt h a tf l o wl o s sc h a n g ew i t hi n c i d e n c e ， i nt h e p r e s e n tp a p e r , e x p e r i m e n t s i nal o w s p e e d w i n dt u n n e lw e r ec a r r i e do u tf o r t w os e to fa n n u l a rt u r b i n ec a s c a d e ( o r i g i n a ld e s i g na n dm o d i f i e dd e s i g n ) u n d e r d i f f e r e n ti n c i d e n c e t h eo r i g i n a ld e s i g nc a s c a d ei se q u i p p e dw i t hc o n v e n t i o n a l s t r a i g h t b l a d e s t h em o d i f i e d d e s i g n c a s c a d ei s e q u i p p e d w i t h a f t l o a d i n g p o s i t i v e l yc u r v e db l a d e t h r e ew o r k i n gc o n d i t i o n s a r eo b t a i n e dt h r o u g hg u i d e v a n et r a i li nt h r e ea n g l e s ( - 1 0 0 ，0 0 ，1o o ) t h em e a s u r e m e n ts e c t i o n sw h i c ha r e l o c a t e da slb e f o r e ，5i na n d1a f t e rt h ec a s c a d e ，w e r em e a s u r e dw i t h5 一h o l e p r o b e t h es t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n so n t h eb l a d es u r f a c ew e r em e a s u r e da t9 s e c t i o n sa l o n gt h eb l a d eh e i g h t t h ei n kt r a c ev i s u a l i z a t i o no nb l a d es u r f a c ea n d t w oe n d w a l l sw e r ea l s oc o n d u c t e d t h et o t a l p r e s s u r e l o s sd i s t r i b u t i o n a l o n ga x i s ，t o t a lp r e s s u r e l o s s a l o n g b l a d eh e i g h t ，c o n t o u rl i n ed i s t r i b u t i o no fl o c a lt o t a lp r e s sl o s sc o e f f i c i e n t ，v e c t o r f i e l dd i s t r i b u t i o no f s e c o n d a r yf l o w , s t a t i cp r e s s u r ec o e f f i c i e n ta l o n g b l a d e h e i g h t ， a n ds t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n so nb l a d ep r o f i l ea n db l a d es u r f a c ea r ep r e s e n t e d i nt h e p a p e r t h e p e r f o r m a n c e o ft w os e t so fc a s c a d ei sd i s c u s s e db yt h ea n a l y z i n go ft h i s d a t e c o m p a r e dt ot h eo r i g i n a ld e s i g nc a s c a d e ，t h em o d i f i e dd e s i g no n en o to n l y c a nr e d u c ef l o wl o s so b v i o u s l yi nt h e0 。a n g l ei n c i d e n c e ，b u ta l s oi si n s e n s i t i v e t ot h ev a r i e t yo fi n c i d e n c ea n g l e s i nt h em o d i f i e dd e s i g nc a s c a d e ，t h ef l o wi s m o r es t a b l e ，t h es e c o n d a r yl o s si sc u td o w na n dt h ee n d w a l ll o s s ，t h el o s sn e a r t h es u c t i o ns i d ea n dw a k el o s sa r ea l s or e d u c e d t h e s ea d v a n t a g e sa r em o r e o b v i o u s l y i n n e g a t i v e i n c i d e n c e i n p o s i t i v ei n c i d e n c e ，l o s s i si n c r e a s e di n m o d i f i e dd e s i g nc a s c a d eo nt h es u c t i o ns i d e s ot h ee f f i c i e n c yo fm o d i f i e dd e s i g n i sr e d u c e d i nt o t a l ，t h ep e r f o r m a n c eo fm o d i f i e d d e s i g nc a s c a d e i sb e t t e rt h a nt h e o r i g i n a lo n e t h et e s tp r o v e dt h a tt h em o d i f i c a t i o nd e s i g no ft h eh i g hp r e s s u r e s t a t i cc a s c a d ei ss u c c e s s f u l i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：a n n u a l c a s c a d e ；a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e ：a f t - l o a d i n g c u r v e db l a d e ；s e c o n d a r yr i o t ；s t a t i cc a s c a d e 符号表 符号表 音速 叶片弦长 叶片轴向弦长 叶高 相对时高 总压损失系数 静压系数 气流速度 温度 冲角 测量点序号 气流速度在主流方向上的分量 二次流速度在水平方向上的分量 二次流速度在时高方向上的分量 水平气流角 子午面内气流倾斜角 大气压力 栅前总压 总压 压力面 吸力面 绝热指数 v 上标 + _ 下标 0 i ， m h 叶栅轴向坐标 叶栅周向坐标 沿叶高方向的坐标 节距 侯部宽度 方向校准系数 方向校准系数 气流密度 马赫数 雷诺数 高压透平 低压透平 滞止参数 相对值或质量节距平均 栅前参数 栅后参数 叶栅顶部参数 叶栅中部参数 叶栅跟部参数 x y z 。o k 。n 哪啪 a b b h 一珂 唧 唧 c t ： u v w d b 阳 h 黔 鼹 k 第1 章绪论 1 1 前言 近二十年来，人们越来越重视能源的合理利用，提高各类叶轮机械的经 济性，大型汽轮级的效率总水平已达到8 0 以上，甚至达9 0 。但是它的 高压级，尤其是调节级的效率只有7 0 左右，而低压级效率也只有7 0 8 0 左右，说明这类机组的效率仍然有很大的“潜力”。提高高、低压级效率 的主要途径之一就是提高其通流部分的效率。本文的研究目的是通过采用更 先进的后部加载叶型和弯、扭联合成型技术减d 、高压级涡轮静叶栅的损失， 提高叶轮机械的效率。 1 2 叶轮机械叶栅内的损失 通常称降低涡轮效率的任一流动特性为损失，但不包括与涡轮效率对应 的影响循环效率的因素。 流体绕流叶栅时产生损失的主要原因是由于流体的粘性和流动的不均匀 性。文献2 i 将叶栅流道内气流的流动特性归纳为：由于粘性和复杂几何条 件引起的各种形式的二次流，表现为各种涡系，如通道涡、尾涡、泄漏涡、 角隅涡和刮屑涡等，由此形成了流动具有较强的三维性和有旋性；转动部 分和静止部分的交替排列，决定了流动固有的非定常性；除少数情况外， 流动的基本形态是湍流而不是层流；汽轮机的低压缸内既有超音区，也有 亚音区，还有湿蒸汽的流动，为混合型流动；由于流动空间较小，壁面影 响与各种现象的相互作用较强烈。由此可见，叶栅流道内强烈的三维粘性流 动必然伴随着损失的产生。对于叶轮机械工作者，所关心的是其总体效率的 提高，但为了研究方便，往往将叶栅流道内的损失进行了细致的划分。目前 较为普遍的做法是将流道内的总损失划分为：时型损失、尾迹损失( 可能包 含于叶型损失中或单独列出) 、二次流损失、动叶项部漏气损失及激波损失 哈尔滨工业大学工学硕t 学位论文 等部分，认为叶栅流道内的损失是这几种损失的综合l j 】。 但在实际情况下，几种损失中的任何一种都很难独立存在。通常认为叶 型损失是叶片自身在不受端壁影响的区域所产生的损失，它与叶片表面边界 层的发展密切相关1 4 。叶型损失包括叶片表面边界层内的摩檫损失、叶片 表面边界层以及尾迹的分离损失、尾迹耗散引起的损失、非设计攻角引起的 损失以及激波损失。叶型损失产生的根源是由于叶片表面边界层的存在，有 关边界层引起的损失或熵增的机理已被人们所认识。叶型损失的大小取决于 叶片表面边界层的流动特性。叶轮机械叶栅中，叶片表面的流动十分复杂， 涉及转捩、分离、再层流化和传热等过程，且叶片边界层的转捩与来流湍流 度、雷诺数、进口冲角、马赫数和叶栅几何参数等因素有关。端部损失也称 为二次流损失，因为它的主要部分产生于来流端壁附面层与新生附面层绕流 叶栅时产生的二次流动。但是，清楚的事实是端部损失不是直接地产生于二 次流，而是许多影响流动效率因素的综合。将端部损失与叶型损失分开是困 难的，在某些情况下称未计算在叶型损失之内的所有其他损失为二次流损 失。叶栅内损失的影响因素很多，包括叶片前缘直径、稠度等几何参数的影 响以及载荷分布、马赫数、湍流度等气动参数的影响1 6 1 。 实际叶栅流道内的各项损失是相互联系、相互影响的，但这样的划分， 能较细致地考虑各种因素的影响，便于对损失进行预测【7 】。 1 2 1 叶型损失 汽轮机叶片的叶型损失约占级损失的l 3 左右伸“3 。叶型损失是指汽流 绕平面叶栅流动对的能量损失，是在摩擦阻力和压差阻力的影响下产生的。 主要包括叶型表面边界层中的摩擦损失、边界层产生分离时的涡流损失、以 及叶片出口边的尾迹损失；如果叶栅出口速度超过音速的话，还应该包括出 口气流冲波损失。1 1 0 1i l i i 在叶栅的实验研究中，凡是发生在平面叶栅亚声 速绕流中的能量损失统称叶型损失，而不再区别摩擦损失和尾迹损失。 叶型损失是由于叶片表面边界层在相应压力梯度的作用下增厚、转捩和 分离以及尾流区中的涡流而形成。叶型损失的大小首先与沿叶型的压力系数 分布有关，逆压梯度越大，逆压段越长越多，叶型损失越大。凡是影响叶型 第l 章绪论 压力系数分布的叶栅的几何与气动参数均对叶型损失有影响，这些参数包括 相对节距、进气角、安装角、冲角、雷诺数、马赫数以及出气边相对厚度 等。1 7 l 对于设计的气动性能较好的低压涡轮叶型来说，压力面的叶型损失只占 总损失的l o 一2 0 。损失很小是由于压力面的平均速度很小，而且这个面 上的气流从滞止点的零速度值加速到后缘出口速度，而在加速气流中边界层 发展缓慢，基本是层流，产生的损失相对很小。大部分叶型损失是在叶型吸 力面上产生的，因为气流在吸力面的平均速度很高，而且从叶型前缘加速到 某一最低压力值，然后扩压到后缘速度。因此，在吸力面尾缘不可避免地出 现气流不得不“爬上山”的逆压梯度段。 沿表面压力不同的分布规律，显著影响了叶型表面上边界层的流态和层 流边界层向湍流边界层转捩的位置。在叶型表面上，顺气流方向压力梯度为 正值的区域称为扩压段，压力梯度为负值的称为降压段( 加速段) 。由于沿 叶型表面扩压段的存在，不仅边界层沿气流方向加厚得快，而且给边界层分 离创造了有利条件。在冲动式透平中，由于沿叶型扩压段较长，所以，在一 般情况下，能量损失系数比在反动式叶栅中要大些。 由叶型吸力面流向叶片出口的边界层，在离开叶片出口边时可能要分 离。分离点的位置与出口边边界层流态有关，由于层流边界层靠近叶片表面 的速度分布不如湍流饱满，易于发生分离。此外边界层在叶片尾缘处从叶片 表面上脱落进入尾迹区，尾迹区内充满了旋涡。尾迹中的气体有旋运动消耗 一部分气体动能，它与主气流相互作用也消耗一韶分气体动能。 是否发生转捩以及转捩发生的位置是影响叶型损失的重要因素之一。在 转捩区，与远离壁面相比，速度波动和相关系数增长达到最大值。法向速度 波动在壁面受到抑制，开始增长晚于切向速度波动和雷诺数波动。可能发生 分离转捩的区域有四个：在马蹄涡分支前部的入口区，穿过叶片通道；在旋 涡结构产生的入口边界层区域的马蹄涡分支；马蹄涡分支到流道出口区域； 信道涡结构区域。l i 刮 叶栅的相对节距是影响叶型损失的重要几何参数。当相对节距大于最佳 节距时，叶栅中叶型的气动力负荷增大，叶型表面上最低压力随着相对节距 的增大而降低，背面上的最低压力点逆气流方向移动，吸力面出口段逆压梯 度增加，扩压段增长，叶型表面边界层增厚。如果扩压段过长可能使边界层 脱离。因此叶型损失也随之增大。当叶栅节距小于最佳节距时，叶型压力面 和吸力面边界层厚度在流道中所占的比重增加，尾迹区在叶栅平均周长j ：的 个数增多，而势流区则相对减少，摩擦损失和尾迹损失增大。1 1r 型损失系数 随节距减少而增大。 叶栅的相对节距、马赫数、雷诺数和气流的进口角不变的条件下，存在 着一个最佳安装角，在此安装脚下，叶型损失最小。当叶型的安装角偏离最 佳安装角时，叶型表面上的压力分布场将发生变化：叶型吸力面上的最低压 力点下降，且逆气流方向移动，所以扩压段增大，同时扩压段内的萨压力梯 度升高，这无疑会使能量损失增加。 冲角是影响叶型损失大小的重要参数之一。在j f 冲角情况下由于逆压梯 度作用吸力面后部边界层增厚发生分离，损失剧烈增长。但同时压力面上的 损失由于滞止点的变化而下降。与正冲角相反在负冲角情况下压力面前缘扩 压严重，边界层变厚甚至发生分离。而在吸力面上分离消失。冲角等于零的 工况对应叶型损失最小的工况。与零冲角相比正、负冲角的增长都导致叶型 损失的增加。在与正冲角大小相同的负冲角下叶型损失相对小。 1 2 2 二次流损失及其随冲角的变化 叶栅两端由于汽体的粘性在端壁上形成附面层，该附面层内汽流速度 小f 层外的主流速度，附面层内汽体所产生的离心力不足以平衡横向压力， 使附面层内汽体质点产生从压力面到吸力面的横向流动，从而在靠近端部附 面层外必然要产生从吸力面向压力面的横向补偿运动。在流道端部产生的汽 流横向运动称为二次流。由于二次流的存在，两端壁面上的低速附面层流向 叶片吸力面，与吸力面上的附面层相互作用的结果，使两端吸力面上的附面 层迅速增厚，而在大多数情况下形成附面层的脱离。同时，由于主气流的横 向补偿运动的结果，在叶片吸力面与端壁面的交角处形成了两个旋涡，这两 个旋涡具有相反的旋转方向，通常称这两个旋涡为涡对，由于二次流引起的 旋涡造成的能量损失叫做二次流损失。 随着气动负荷增加和展弦比减少，相对于叶型损失等其它损失来说，二 次流是导致叶栅能量损失的主要因素| l ”。正是由于二次流才引起了混合涡 系，因此研究各种涡的位置、尺寸、强度的变化以及各个涡之间的相互作用 十分重要。( f 4 对旋涡流动的研究一直在进行中。在涡轮叶栅流动中，国内 外行先后提出了6 个矩形涡轮叶栅旋涡模型| 1 ”。为分析叶栅内二次流动结 构提供了必要的理论基础。 一般研究二次流结构可以通过在弦象和叶展方向的质量平均总压损失系 第l 章绪论 数和损失系数等值线，以及二次流速度向量图的观察与分析，综合判断二：次 流动的发展。l j 叫 任何个几何参数或工况参数的变化，只要它能使横向压力梯度增 加、附面层增厚或扩压段扩大，均可提高二次流损失。叶栅的高度是影响二 次流的主要几何参数之一。随着叶栅高度的减小，叶栅中部叶型损失区将缩 小而两端的涡流区中的高损失区几乎保持不变，所以二次流损失和叶栅高 度成反比的下降。在最佳节距范围内，安装角的增加使二次流损失下降。因 为此时气流转折角减少，使流道中的横向压力梯度下降。当叶栅的相对节距 增加时，起初二次流损失下降这是因为此时气流的降压度增加，而当二次 流损失减少到某一数值时，如果继续增加节距，则二次流损失反而增加，这 是因为此时流道内的横向压力梯度增大，加强了端部壁面上的二次流。所 以，对二次流损失也存在着一个最佳节距。进气角的减少，使流道内的横向 压力梯度增大，在叶栅进口的斜切部分产生扩压段，并可能在某些情况下产 生脱离，所有这些均使二次流损失增加。雷诺数增加，二次流损失下降，其 原因是随着雷诺数的增加，断壁附面层变薄，从而减少了参加附面层中横向 运动的气体质量。随着马赫数的增加，流道内的横向压力梯度下降，从而减 少二次流损失。 由于入口边界层的作用，冲角对通道涡和损失核心存在影响j i “。一般 来说，在负冲焦情况下由于作功量较少，横向压力梯度不大，二次流损失也 随之降低。在正冲角情况下情况正好相反，通道涡和壁角涡强度加强，通道 涡和脱落涡向叶型中部移动，损失增加j l 。但只有在一定范围内减小冲角 才能减少二次流损失，当冲角小于一个特定值时二次流损失发生显着的增 长。y a m a m o t o 等认为这是由于压力面分离进入旋转叶栅的顶部，进入二次 流中所至1 引。 在正冲角情况与零冲角相比等压线的梯度增加，吸力面最小压力区域向 上游移动，两个壁面间的横向压力梯度和吸力面上逆压梯度增加。横向压力 梯度对应了壁面压力和相应的横向二次流动的方向。因此，在较大j 下冲角情 况下，壁面横向二次流扩展到整个流道中。叶片吸力面与端壁间的边界层迅 速向壁角流动并加速，从叶片吸力面和端壁分离。 在较大负冲角情况，二次流流型出现了不同于s i e v e r d i n g 总结的二次流 流型中马蹄涡压力面分支的来流边界层卷起线、马蹄涡压力面分支的分离线 的发展情况。在大负冲角下，这两条线在叶栅中部会合后才到达叶栅吸力 面。在较大栅距时，叶栅吸力面出现了叶面螺旋涡1 2 0 1 。而在小负冲角与大 负冲角时流动相比有相对较强的横向流动，在压力面头部开始就有较人的横 向流动速度分量，而且从这里横向流动衍生发展到整个通道。在吸力丽头部 附近有小范围的指向压力面的横向流动，这表明马蹄涡吸力面分支的存在， 但该分支消失在离头部不远的范围内。与大负冲角工况下没有明显的分离鞍 点不同，小负冲角下可以看到明显的鞍点结构1 i 。 总体来说，适当减小冲角由于减少了涡轮叶栅的做功量，使压力面与吸 力面之间的压差减少，横向压力梯度降低，对减少二次流损失是用利的。但 当负冲角过大时，边界层分离加剧，马蹄涡两条分支相互作用，使流道内的 流动状况恶化，二次流动反而增强，二次流损失增长。 1 3 常用的改型设计方式 通过对流动损失机理的分析很容易通过减少叶型损失和二次流损失能提 高叶栅的流动效率，这也是最常用的改型设计的出发点。例如利用边界层分 离法1 2 2 i 、端壁边界层抽吸 2 州等方式改变端壁边界层厚度降低二次流损失， 改变前缘型线也可以减少二次流损失1 2 “。其它常有的方式还有信道子午收 缩及内外壁成型法、可控涡设计、旋涡控制边界层法、绕流控制法( 或称边 界层控制法) 、机匣处理法以及采用前掠叶片和弯扭叶片的方法等f 2 i 。本试 验改型设计主要采用的是后部加载叶型和弯扭叶片技术。近年来，先进的后 部加载叶型与弯扭叶片作为两项新技术已广泛应用于蒸汽轮机与燃气轮机， 对于改善通流部分的气动性能起到了关键作用。 1 3 1 “后部加载”叶型的研究及其应用 当代涡轮机械领域提出了两种先进叶型，即均匀加载和后部加载叶型。 如果在吸力面上气流从叶型的前驻点开始加速，在中部速度保持不变，在后 部出现扩压，则把这种叶型称为均匀加载叶型：若在吸力面上气流在喉部以 前加速，在喉部以后扩压，则把这种叶型称为后部加载叶型。对于给定的负 荷系数，后部加载叶型的扩压系数，最大马赫数以及叶厚与弦长之比通常比 均匀加载叶型的大。这两种叶型都具有很低的叶型损失，但后部加载叶型在 降低二次流损失方面效果更为明显。p w 叶栅和旋转试验装置的试验结果表 明，使用后部加载叶型可以进一步提高涡轮效率| 2 。对于涡轮叶栅，由于 在壁面和压力面边界层的动量最低点位于叶片前缘，这些流体在同样的压力 梯度下更容易流向临近叶片的吸力面。在给定的叶片载荷情况，对叶型进行 第1 章绪论 改变，使得载荷分布向后推移，在最大动量处采用最大的压力梯度，可以最 大程度的服制横向二次流动。后部加载叶型正是基于这样的设计思想产生 的。 2 7 1 透平叶栅“后部加载”的概念是八十年代国外首先提出的，与传统的透 平叶栅速度分布规律( “均匀加载”或“前载入”) 相比，“后部载入”叶型 叶栅的最大气动力负荷位置明显移往下游方向。实验表明，后部加载叶型具 有许多常规叶型所不具备的优点，如，这种叶型适用较大范围的入口气流 角，在较大的攻角范围内保持总损失基本不变，即具有较大的攻角范围。这 非常有利于提高叶栅通流部分变工况运行时的气动性能。而且，由于后部加 载叶栅通道前段压力面与吸力面的压差减小，从而削弱了通道二次流的强 度，使叶栅总的二次流损失( 三维叶栅损失) 大为降低雎。与传统的汽轮 机叶片负荷分布采用沿流向均匀分布规律，或最大位于叶片前缘的前部加载 规律不同的是，具有后部加载叶型的透平叶片，其最大气动负荷位置明显的向 下游方向移动这种负荷分布形式使得具有后部加载叶型的叶片具有良好的 攻角适应性，以及降低二次流损失的特点。1 2 引国外汽轮机制造业从上世纪8 0 年代开始研制“后部加载”叶型，迄今为止，a b b 、g e c 、a l s t h o m 和 三菱公司都推出了各自的“后部加载”叶型并已用于生产实际。 文献 o j 指出了“后部加载”叶型把最大气动负荷移到了后半部分，为 相对弦长的6 0 7 0 处，因此称为“后加载”，此类叶型的作用主要不是减 少叶型损失而是减少了叶栅总损失1 3 以上，因此后加载对提高叶栅效率有 显著作用。的并总结其优点为1 ) 叶片表面最大气动负荷在叶栅流道后部。 2 ) 吸力面、压力面均由高阶连续光滑曲线而不是圆弧构成。3 ) 叶片前缘 小圆半径较小且具有更好的流线形状，在来流方向( 攻角) 大范围变化时仍 保持时栅低损失特性。4 ) 叶片尾缘小圆半径较小，减少尾缘损失。5 ) 叶 型最大厚度较大，增强了叶片刚性。 在国产2 0 0 m w 汽轮机改造实验研究表明由于叶栅通道前段压力面与吸 力面的压差减小，从而削弱了通道二次流强度，使叶栅总的二次流损失大为 降低。p 有实验表明1 3 2 1 ，这种叶型除了损失小的优点外，还可以在较大的 正冲角和负冲角下较好地运行。对均匀加载叶型，叶型表面马赫数m a 低， 速度扩压度小，在有利的条件下，它有可能比后部加载叶型损失小，但是， 对这种f 型，转捩出现在加速区束段，由于自由流湍流度高，所以，均匀加 载叶型比后部加载叶型全湍流流动区大，因而叶型损失相对较大。另外， m a r c h a l ( 1 9 8 0 年) 在对两个气动载荷相同但载荷分配不同的叶型的实验中 ： ：錾垒鎏三些查兰三兰堡圭兰堡堡圣= ： ：= 没有发现二次流损失的变化。他采用一个描述不同载荷分配影响的特性因子 q 来解释，因为q 相同所以二次流损失相同。因此，存在一个可以最大程 度降低二次流损失的最优载荷分配方式。 在文献 3 3 1 所做的普通前载入叶栅和后部加载时栅的对比实验中，作者 得到的结论是：1 、在两种叶栅中，在二：次流场中占主要地位的都是通道 涡。另外，可以看到壁角涡的发生和马蹄涡在吸力面的分支。2 、紧靠壁 面两种叶栅载荷都下降并进而产生二次流动，这导致前一种叶栅端壁型线 压力分布特征发生明显变化，在端壁压力分布变得更靠后。3 、两种叶栅仅 在叶栅出口平面的展向损失系数分布和周向流动角表现出不同的特点。但 是，全部的二次流损失系数几乎相等。在混合过程中展向分布的差别在更f 游逐渐消失。4 、前加载叶栅通道涡更强。对这种叶栅，动能的耗散积聚在 较强的涡的运动中，并进而导致极大的二次流动损失。在前加载叶栅入口平 面下游一点就发生较强的流动偏移，产生较强的横向压力梯度，这压力梯 度以速度梯度的方式又作用于相对稳定的厚边界层。在后部加载叶栅的叶片 流道中，最高压力梯度直到喉部才产生，在那里作用于较薄的边界层。这就 是为什么前加载比后部加载叶栅产生更强的涡系并有更高的损失。 文献p 4j 通过计算分析了后部加载叶片及与其对应的常规前加载( 即均 匀加载) 叶片对三维叶橱流动损失与二次流发展的影响，结果表明，后部加 载叶栅的高损失区要较均匀加载叶栅的高损失区小，在叶栅出口下游15 轴向弦长处后部加载叶栅的平均总压损失系数要比均匀加载叶栅下降约 2 0 ，认为后加载叶栅能有效地降低三维叶栅损失，并控制二次流的发展。 文献j 3 5 1 采用后部加载叶型，在叶栅大部分轴向弦长内( 9 4 轴向弦长) 可获 得良好的三维压力场；在吸力面和压力面上皆为顺压梯度，在两端壁上有较 小的横向压力梯度，沿叶高压力分布均匀，在该区段流动损失不增长或增长 不大。 通过流场试验可以发现后部加载叶型在马蹄涡压力侧分支s l p 和压力 侧分离线s 2 p 之间的分离气泡比前部加载的小。由于恰好在前部加载叶型 的前缘下游处发生很大的偏斜，对下游的潜在影响极大。因此壁面边界层在 上游后部容易发生分离。在前缘下游，尤其是在吸力面- n 存在着较强的横 向压力梯度，加强了吸力侧马蹄涡分支s ls 和吸力侧分离线s 2 s 。上述s 1p 与s 2 p 之间的分离气泡影响着壁面压力分布，在这个区域主流方向的压力 梯度几乎为0 。在吸力面上通道涡分离线s 4 附近的马蹄涡吸力侧分离线后 移。前部加载的主要特征就是这条分离线向主流渗透的较深，较深的渗透导 致一个很强的通道涡，在墨迹显示中显示出一个高损失区。由于后部加载分 离气泡较小，分离气泡对流动没有什么大的影响1 3 6 。实验表明后部加载 叶型具有良好的气动性能 1 3 2 弯扭叶片技术 由于二次流损失是影响叶栅内总流动损失的因素之一，因此减少二次流 损失在叶片设计中尤为重要。在国内外学者众多工作中，王仲奇教授和他的 导师及同事于6 0 年代初为了均化反动度沿叶高的分布提出了叶片弯扭成型 理论。叶片沿周向弯曲，实际上是给叶轮机械气动设计者增加了一个新的设 计自由度一一叶片沿高度、沿周向变角度弯曲。它与原来的的设计自由度 一沿叶高变角度扭曲合理匹配，使流场进一步优化。7 0 年代后，经过各国 科学家和工程技术人员的共同努力，弯扭叶片已成功的应用于汽轮机、燃气 轮机和航空发动机上。8 j 目前，世界上几乎所有的大型汽轮机制造厂家， 如三菱、a b b 、g e 、西屋、日立、西门子，阻及我国汽轮机行业都在积极 研制以弯扭叶片为代表的新一代汽轮机，有的已投入运行。世界各大公司发 表的实验结果表明，仅采用全三维弯扭叶片一项措施即可提商汽轮机效率 1 5 一2 ，甚至更多。 由径向平衡方程： 一l o p ：蓝+ 竺主。o s 盯一皇蛀皇坚+ 尸 p o r ，。dm 2 ( 1 1 ) 弯扭叶片技术主要通过改变叶片的倾角以改变叶片对气流的作用力项 f t ，进而改变径向压力梯度。在矩形叶栅试验中发现，常规叶栅沿径向压力 分布是均匀的；当叶片正倾斜时( 叶片压力面与内端壁面的夹角为锐角) ， 可获得负的径向压力梯度，叶片负倾斜时可获得正的径向压力梯度；对于弯 曲叶片可获得所谓的c 型压力分布。 圳吸力面和压力面表面的静压分布决 定了在叶片表面上径向二次流的强度。 要想消除常规叶栅中沿吸力面和压力面边界层的径向运动，就得改变常 规叶片吸力面和压力面沿叶高的压力梯度。采用弯曲叶片，当叶片压力面与 上下端壁面组成的夹角均为锐角时，获得吸力面和压力面表面上的c 型压 力分布。在它的作用下，两端边界层被吸到中部并被主流带走，因此两端部 能量损失下降。虽然低能流体被吸入中部的过程要消耗一定的能量，使中部 ：= = ：= ：堕兰鎏三些垒茎三茎竺圭兰堡兰兰 叶栅损失有所增加；但采用适当的弯曲角度使得中部损失增长的程度小于端 部损失减少的程度总损失是减少的。| 4 0 j 采用弯扭叶片对压力面和吸力面之间的压差也有显著的影响。在两端， 弯曲叶片压力面与吸力面间的压差明显小于常规叶栅中的，这表明在两端壁 的横向2 2 次流减弱，相应的二次流损失下降。l 而在叶片中部，弯曲叶片 与常规叶片比较，这个压差增加，因而叶栅中部做功量增加，级负荷增加。 因此，弯曲叶片叶栅端部和中部的这两种压差变化都是有利的。采用弯曲叶 片不仅抑制了径向二次流，减弱了横向二次流，使叶栅总损失下降，还加大 了叶栅中部的做功能力。 另外，采用反弯叶型可以控制马蹄涡和通道涡的产生和发展，限制上下 通道涡，避免他们相互作用，进而降低二次流损失，提高效率。i “】 文献 4 3 1 作者通过实验详细测量，并且应用拓扑原理分析，得出了常规 直叶栅和弯叶栅流场拓扑和漩涡结构从我动力学原理出发揭示了叶片弯曲 降低损失的机理：是由于它能调整叶栅中的涡量场与胀量场，优化他们的匹 配，从而获得对应较小损失的流场。 总的来说，合理的采用叶片j 下弯和反弯都可以控制径向压力梯度和横向 压力梯度的分布，提高通道涡的稳定性。叶栅中的能量损失决定流道中的三 维压力场，弯扭叶栅可以很好的控制压力。因此它是一种降低叶栅损失改善 流动特性的有效方法。”4 j 通过冲角对二次流的影响讨论，我们得出在冲角变化幅度很小时正冲角 增加二次流的强度，而负冲角降低二次流的强度。而弯叶片技术是以较少二 次流损失为出发点的，我们可以估计出在正冲角情况下采用弯叶片可能效果 更明显些。 随着冲角增加，上下通道涡扩展到中间展面，涡的区域扩大，总流动 损失增加很多。当负冲角增加时相反的现象出现。在同样的冲角下倾斜叶栅 锐角侧横向二次流降低，由于沿着叶高的负压梯度作用，在叶片表面和端壁 的边界层被吸入主流区。通道涡减弱，两个壁角和尾迹都被消除，导致能量 损失降低。而在钝角一侧，壁面的横向二次流增强，起始于壁面沿着叶高方 向的正压力梯度导致在叶片表面和端壁的边界层堆积，通道涡增强或分成很 多小涡，因此能量损失增加很大。采用弯叶片不仅降低在两个端壁上的横向 _ 二次流动损失，还在下端壁沿叶高方向形成负压梯度，在上端壁沿叶高方向 形成正压梯度。在这样的压力梯度作用下与直叶栅相比两个通道涡都减弱 了。1 4 5 1 1 4 6 f 第j 章绪论 由于最小压力梯度到前缘和吸力面的距离表示出了分离流动的位置和影 响范围。在同样冲角的弯叶片中静压梯度降低，最小压力区域向下游移动逼 近叶片吸力面。因此弯叶片降低了横向压力梯度和端壁逆压梯度。因此横向 二次流和通道涡减弱。1 4 7 1 吸力面直叶栅零冲角时的流场分为三个区域：入口三维流动区，二维流 动区，和出口三维流动区。在横向压力梯度作用下壁面边界层的低能流体进 入吸力面和端壁间的壁角。因此低能流体向下沿等压线法向流动进入虽小压 力区。考虑到逆压梯度作用，在吸力面表面分离，因此在叶栅两侧都产生通 道涡。当冲角从零增加到正冲角时，则在入口三维流动区域和二维流动区域 之间存在一个三维流动区域。三维分离等压线向中部叶高和上游扩展。在同 样冲角下采用弯叶片，c 性压力梯度线形成。在叶栅下部梯度是负的，在叶 栅上部是正的。在这个叶栅中三维流动区域向下游移动，最小压力区域在叶 栅的中部。 当冲角增加时所有的涡即不消失也不合并，但是它们的尺度，强度位置 发生变化。在常规叶栅冲角增加时相比三种涡的相对位置向叶片中部移动。 通道涡和尾迹涡的尺度和强度增加。在大冲角情况下端壁的横向流动和中部 翼展的回流都比设计冲角大。这导致在叶栅通道中的顺流动旋涡的夹带作用 由于很强的横向压力梯度作用而加强。当负冲角增加时，发生了相反的现 象。由于降低了在叶栅通道的横向压力梯度，通道涡没有卷起，因此在边界 层的摩擦损失足端部损失的主要形式。与零冲角一样，在弯曲叶栅中导致通 道涡位置轻微的向翼展方向移动。尺度发生很小的改变，强度变弱。同时壁 角涡沿着尾流向翼展中部移动，与尾迹涡混合构成一个大的涡。在弯叶栅中 的混合涡的尺度和强度略大于常规叶栅的尾迹涡，但是小于常规叶栅壁角涡 和尾迹涡的和。这指出弯叶片对流动涡的影响不大。实验数据显示在0 冲角 和2 0 度冲角下采用弯叶栅比常规叶栅中涡的强度有明显的降低。j 4 叫 在弯叶片叶栅中存在最佳弯曲角，最佳弯曲角对应着最小流动损失，它 的大小与端部损失的减小和叶展中部损失的增加有关，实验研究表明最佳弯 曲是径高比( 展弦比) 、冲角、叶片几何折转角、雷诺数和马赫数等叶栅几 何与气动参数的函数。冲角增加，最佳弯曲角减少。叶片完牛的效果主要是 降低二次流损失，因此随着冲角的增加，叶片弯扭改善流畅的作用越来越明 显5 。 现代汽轮机叶片设计中已经广泛采用弯扭叶片技术并取得了良好的结 果。t a k e n a g a 等( 1 9 9 4 ) 试验结果显示采用负荷倾斜叶片可以将整级效率 竺堑鎏三兰查兰三兰堡! ；兰堡篁兰= = ： 提高2 ，5 。15 ”并证实了叶片两端负荷减少，中部负荷增加。在国内大型 机组中弯扭叶片技术的使用也显示出良好的性能。近四十年来，有关弯扭叶 片能够有效地控制叶栅中二次流损失的结论己被国内外大量的实验研究所汪 实，并且在工程实际中得到广泛的应用。而随着这一代新型叶片在航空发动 机、蒸汽轮机、燃气轮机上的成功应用，也推动了热力叶轮机械研究的发 展。1 9 9 1 年德国西门子公司采用弯扭叶片对过去生产的汽轮机末级隔板进 行改进，不仅延长了设备寿命，而且使效率有较大的提高。德国a b b 公司 为了提高汽轮机效率在汽轮机次末级和未级开始采用全三维叶片。日本的东 芝公司为降低不久将在实际中应用的大型蒸汽轮机机组的高压级中两端的二 次流损失，采用弯曲导叶设计。理论分析表明，与直叶片比较，弯曲叶片中 流线流向两端，削弱了两端涡的发展。同时透平级实验也证明，在较大的速 比范围内，采用弯曲导叶的设计均具有较高的级效率。流型的概念随着汽轮 机设汁水平的发展经历了几个阶段，以日本三菱重工生产的7 0 0 m w 蒸汽轮 机高、中压缸的反动式叶片为例，从基于自由涡流型的二维设计，到基丁可 控涡流型的准三维设计，最后是考虑了体积力的用全三维设计方法设计的三 维叶片，即弯曲叶片。三菱重工将上述三种设计方法设计的叶片在模化比 o 5 的三级模型透平上进行了实验，结果表明弯曲叶片与前两种叶片相比， 动、静1 1 r 中的二次流损失都有较大的降低。 1 4 本文的工作 为了研究某静叶叶栅原型和改型在变工况下的气动性能，我们在叶栅 前置了导向叶栅，通过导向叶片尾部转动一l o o ，o o 和l o o 建立三个工况，在 三个工况下静叶原型叶栅和改型叶栅对应不同的沿叶高的冲角分布。采用五 孔探针对从入口到出1 ：37 个不同截面进行了流动测量。对从叶顶到叶根九个 截面进行了表面静压测量。通过实验数据的处理分析，得出总压损失系数沿 截面的分布、截距平均损失沿叶高分布、截面损失等值线分布、截面二次流 分布、节距平均静压系数沿叶高分布、叶片表面静压系数沿叶型的分布、叶 片表面静压分布等气动参数。 通过对以上数据的分析得出了在不同冲角情况下两套叶栅的流动性能的 比较。得出了叶栅内流动损失的机理和变冲角对各种损失影响因素的改变作 用。 第2 章试验设备与数据处理方法 2 1 引言 第2 章实验设备与数据处理方法 由于我们实验室实验条件的限制，无法进行涡轮整机实验，以获取涡轮 叶栅真实、完整的三维流动数据，针对这种情况，通常采用在平面叶栅或环 形叶栅风洞中进行模拟吹风实验，通过测量数据显示叶栅内的流动特性；采 用墨迹显示方法对端壁和叶片表面进行流动显示，得到流场特性更加直观的 描述。这类实验能够揭示出涡轮叶栅内的主要流动特性、流场结构和叶栅中 流动损失产生、发展的机理。 本文所做的研究就是在低速环形叶栅风洞上进行的。实验结果是通过对 内部流场进行测量，加上对叶栅各壁面的流动显示、静压测量得出的。下面 对本文所使用的实验设备以及处理实验数据的方法等进行介绍。 2 2 实验设备 2 2 。1 风洞及自动测试系统介绍 实验是在哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学推进理论与技术研究所的扇形 叶栅风洞中进行的。风洞示意图如图2 1 所示，风洞所用工质是由一台7 5 千瓦电动机带动的风机供给。气流流经具有一定长度的风管，进入直径为 】5 米的稳压筒。稳压筒内设置两道整流网和一道整流栅。整流网又称阻尼 网，它的第一个作用是将气流中的大旋涡破碎成小旋涡，再经一段短流程小 旋涡就会消失；第二个作用是降低湍流度。整流栅又名蜂窝器，它用于提高 气流的均匀性。有一定均匀程度的低湍流度气流从稳压筒中流出，进入具有 较大收敛比的收敛器，经加速流动后进一步均匀化，然后流入继续收敛的 内、外导流器。在内、外导流器出口，实验装置为模型叶栅提供了充分均匀 的初始流场。 竺垒堡三些查兰三兰塑圭兰堡篁三 2 卜风机2 一风管3 一整流婀 整流栅5 一圆筒体6 一温度计7 一总压探针8 一扇形导叶 9 一探针坐标架l o - 五孔探针】1 试验叶栅 图2 0 l 叶栅风动及其扇形叶栅装置简匿 实验中，五孔探针的测量数据通过自动采集来完成。其基本原理是：通 过五孔探针感受压力信号，在通过压力传感器变为数据信号，通过1 2 位的 a d 转换器传送到计算机中记录下来，同时记录下大气温度、风涧洞内温 度、压力传感器温度和大气压力等值，对应的值在显示控制柜面板上显示。 2 2 2 探针及其校准 五孔探针是三维流场测量中最常用的测量仪器。所能测量的参数有：速 度的大小和方向、总压和静压等。由于其使用简单，不易损坏，以及便于维 护等特点，目前为止还是测量三维流场的最主要最常用的仪器。本实验采用 的探针为五孔球头探针球头直径为5 r a m 。五孔探针的示意图如图2 2 所 可co 用五孔球头探针测量三维流场有以三种方法：( 1 ) 对向测量法；(