动静干涉下涡轮叶栅内部涡系结构分析

第55卷第5期2013年L0月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVOL_55NO50CT2013动静干涉下涡轮叶栅内部涡系结构分析杨彤，冯国泰哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001摘要采用三维黏性非定常数值模拟方法对某高压涡轮两级的内部流场进行了计算，并分析了该涡轮第一级内主要集中涡系结构通道涡、壁角涡、泄漏涡的非定常发展规律。结果表明，静叶喉部位置后轴向与径向压力受到动叶前缘的干涉效应，使得静叶出口涡量大小呈明显的周期性变化；动叶内通道涡因为受到了来流附面层，以及上游静叶的集中涡系的影响，存在很强的非定常性。研究结果将有助于提高对涡轮内部动静叶非定常干涉的认识。关键词高压涡轮；非定常；动静干涉；涡系分类号TK4747文献标识码A文章编号10015884201305032105STUDYOFVORTEXSYSTEMONROTORSTATORINTERACTIONINHPTURBINECASECADESYANGTONGFENGGUOTAISCHOOLOFENERGYSCIENCEENGINEERING，HARBININSTOFTECHNOLOGY，HARBIN150001，CHINAABSTRACTNUMERICALSIMULATIONSONTHEUNSTEADYFLOWINTWOSTAGESOFAHPTURBINEAREPERFORMEDINTHISPAPER，THEDEVELOPMENTOFTHEMAINVORTEXSYSTEMPASSAGEVORTEX，WALLCORNERVORTEX，TIPLEAKAGEVORTEXWITHTHETIMEAREDISCUSSEDINTHEFIRSTSTAGETHERESULTSSHOWTHATBECAUSETHEAXIALPRESSUREANDRADIALTHRUSTOFTHESTATICBLADETHROATISINFLUENCEDBYROTORSTATORINTERACTIONFROMDOWNSTREAMROTOR，THEVORTICITYOFSTATOROUTLETPRESENTACYCLICALCHANGE；ANDTHEPASSAGEVORTEXINTHEROTORISINFLUENCEDBYFLOWBOUNDARYLAYERANDTHEVORTICESFROMUPSTREAMSHOWASTRONGUNSTEADINESSTHESEINCREASEDTHEKNOWLEDGEOFTHERSINTERACTIONINTURBINESTAGEKEYWORDSHPTURBINE；UNSTEADINESS；ROTORSTATORINTERACTION；VORTEXSYSTEM0前言随着现代叶轮机械设计逐渐朝着减少级数、减少叶片、提高压比、提高效率以及减小轴向间距方向发展，使得叶轮机械的非定常效应变得明显，尤其是叶片排之间相互干涉变得越来越强烈。原来的定常设计体系将无法满足叶轮机械越来越高的性能要求，因此，对于叶轮机械内部三维非定常流动状况的研究必然成为叶轮机械设计体系未来发展之路。关于叶列间相互干涉问题研究，HODSON，DOORLY，ASHWORTH等人首先通过实验的方法进行了包括上游尾迹对下游叶片的影响，动静叶间相互作用以及叶片型面压力变化等研究；其后GIER等采用实验和数值模拟两种方法对某三级低压涡轮进行了非定常效应的研究，分析了非定常条件下二次流对损失的有利影响，表明实验和数值模拟之间互补互利的关系；PJENNY等采用实验和数值模拟的方法对某低压涡轮动叶根部通道涡进行了研究，分析并确定了不同流动状态下动叶根部通道涡的变化。国内中科院的施立新等人对某轴流风机做了关于动静叶相互干扰的实验研究；北京航空航天大学的綦雷、邹正平等在非定常状态下的通道涡系结构分析以及上游涡与二次流的相互作用方面做了大量的研究工作；清华大学的王大磊，朴英”等对高压涡轮转壬间隙泄漏进行工韭定盥研究，表明上游静叶尾迹和外尾收稿日期20130211波导致泄漏涡和泄漏损失产生周期性变化。本文通过对某高压涡轮的两级进行数值计算，模拟了其在设计工况下的定常与非定常流场，并具体分析了涡轮第一级在动静干涉效应下各个叶片排通道内部涡系结构及其发展规律。1数值方法与几何模型11涡轮几何模型本文采用某高压涡轮的两级作为研究物理模型，表1给出了涡轮的主要几何参数和基本热力参数，涡轮采用等中径设计方式，级间存在一定的漏气损失，动、静叶流道内基本叶间高度不变。涡轮入口总压为1168MPA、总温为4796K，出口背压为049MPA。12数值方法流场计算域的空间离散使用了NUMECA公司针对叶轮机械开发的结构化网格生成模块AUTOGRID5。采用了04H的网格拓扑结构，保证网格最小正交角度不小于25。固体壁面附近网格进行加密处理，第一层网格距离壁面距离为10M，以保证壁面Y值小于5。考虑动静叶叶片数的比例接近31和非定常数值模拟对计算