大焓降静叶翘曲端壁流动控制研究

第58卷第1期2016年2月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0158NO1FEB2016大焓降静叶翘曲端壁流动控制研究李长宝，韩万金1哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046；2哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001摘要以气动性能优良的尾缘正弯积迭的大焓降静叶为原型，采用5条具有控制点的B样条曲线作为沿流向的控制线设计翘曲端壁，研究翘曲端壁对端部的流动控制和探索翘曲端壁降低损失的机理。通过商业软件NUMECA数值研究了翘曲端壁对大焓降静压总压损失及根部载荷分布的影响，指出翘曲端壁可降低端部区域的横向压力梯度，削弱二次流强度，同时也增加摩擦损失，选择适合的翘曲型面并控制翘曲幅度在边界层以内可有效降低端部总压损失。关键词大焓降；静叶；翘曲端壁；流动控制分类号V2313文献标识码A文章编号10015884201601002603INFLUENCEOFBUMPENDWALLSONCASCADEFLOWOFHIGHLOADINGSTATORTURBINEBLADELICHANGBAOHANWANJIN1HARBINTURBINECOMPANYLIMITED，HARBIN150046，CHINA；2HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY，HARBIN150001，CHINAABSTRACTBASEDONANAERODYNAMICEXCELLENTHIGHLOADINGSTATORTURBINEBLADEFEATHEREDWITHPOSITIVEBENDINGANDTHETRAILINGEDGESTACKING，THEBUMPENDWALLSURFACESAMPLESWEREGENERATEDBY5BSPLINECURVESWITH5CONTROLPOINTSTOINVESTIGATETHEINFLUENCEOFBUMPENDWALLSONCASCADEFLOWOFHIGHLOADINGSTARERTURBINEBLADEANDTHEMECHANISMOFBUMPENDWALLSONREDUCINGTOTALPRESSURELOSSESTHENUMERICALRESULTSBYCOMMERCIALSOFTWARENUMECASHOWEDTHAT，THEBUMPENDWALLSCOULDLOWERTHETRANSVERSEPRESSUREGRADIENTNEARTHEENDWALLREGIONSANDWEAKENTHESECONDARYFLOWINTENSITY，HOWEVER，THEFRICTIONLOSSWOULDINCREASEDINTHESAMETIMESOSELECTINGTHESUITABLEBUMPENDWALLFORTHEHIGHLOADINGSTATORTURBINECASCADE，WHOSEWARPINGRANGEWASINTHEBOUNDARYLAYER，CANEFFECTIVELYREDUCETHETOTALPRESSURELOSSNEARTHEENDWALL_KEYWORDSHIGHLOADING；STATORTURBINEBLADE；BUMPENDWALLS；FLOWCONTROL0前言研究者公认，对于轴流涡轮叶栅，流动损失对负荷非常敏感。静叶栅的流动损失包括叶型损失、二次流损失和掺混损失。尽管大焓降静叶在成型设计中采用了优化叶型和尾缘正弯积迭，努力降低流动损失，尤其是在端壁附近涡量集中区的二次流损失，在叶栅总损失中所占比例很大。提升叶片负荷，又尽力使流动效率达到当代的竞争水平，就要在应用弯叶片的同时，采取措施控制上下端壁区的流动损失。近年国内外的研究成果表明，非轴对称端壁对于降低端壁损失非常有效。采用非轴对称端壁的目的是通过选取合理的端壁翘曲造型，将马蹄涡压力侧与吸力侧分支以及通道涡隔开，避免三涡的交互作用，从而降低端壁附近涡量的高度集聚，并兼有减弱横向与逆向压力梯度的作用。本文在大焓降静叶的设计中采用了尾缘正弯积迭，与常规直叶片比较已降低了一部分端部损失。根据弯叶片降低流动损失的机理，叶片正弯主要降低的是端壁区的胀量，涡量是直上赴的。在这独瞳况下，有必要采用非轴对称端壁收稿日期20151012成型技术，构造具有凹凸面的翘曲端壁，控制与通道二次流相关的涡量，进一步降低二次流损失，同时展示叶片正弯结合非轴对称端壁开拓涡轮叶片增大气动负荷设计空间潜力。1非轴对称端壁设计及计算方法11非轴对称端壁设计本文首先采用具有控制点的B样条曲线作为沿流向的控制线，初始成型下端壁，通过分析单侧设置非轴对称端壁叶栅的气动特性，认识非轴对称端壁降低端壁损失的机理。如图1A所示，在端壁上相邻两只叶型构成的流道内，将非轴对称端壁成型限制在前缘线至尾缘线之间的范围内。沿周向分别构造5条控制线，分别称为CUTL、CUT2、CUT3、CUT4和CUT5，其中首末两条控制线CUTL和CUT5分别为相邻两叶型的中线，这两条控制线满足周期性条件，并彼此保持完全一致。另外3条控制线位于流道内，若以CUTL作为基准，在相同轴向