船用汽轮机变工况技术研究范文

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《热能动力工程杂志》2014年第三期

1物理模型和边界条件

原型叶栅静叶沿着径向扭曲比较小(根部叶宽为38，出口汽流角为25°;顶部叶宽为45，出口汽流角度为36．5°)，动叶片的进口边比静叶片的出口边扭曲的更加剧烈，是典型的等环量设计方法。改型后的叶片是按照可控涡的设计思路设计(标记为modifiedblade)，叶宽和原型叶片维持不变，调整了静叶出口气流角度沿着叶高方向的反曲率(根部α1增大，顶部α1减小)，动叶出口汽流角度沿叶高方向减小(根部β2增大，顶部β2减小)，同时为了保证流量不变，安装角做了相应的调整，在额定工况下选择几何进口角，叶顶部分有较大的负攻角，而叶根处的攻角为零，这样做可以减小汽轮机级在低速工况时的正攻角，并提高效率;在额定工况下针对每个截面单独选取攻角值，设计出扭叶片。在改进叶型的基础上进一步优化静叶，保持出口气流角度和喉部截面积不变，采用较为先进的后部加载叶型，前部只收缩，后部折转，该叶片可使最大负荷的位置向后推迟，有效推迟转捩发生，从而减小叶型的二维损失。3种叶栅的物理模型如图1所示，3种叶片在根、中、顶截面的型线如图2所示。在后加载叶型的基础上采用叶片弯扭联合气动成型法生成弯扭叶片，由于端部损失占了很大的比重，因此通过减弱这些部位的气流，然后通过增加中间部分的气流密度来进行补偿。同时，在设计时特别考虑了积迭线在叶片径向的变化，可以修正气流沿叶高的密度，同时保证叶栅整体通流能力不变。对静叶片采用25°和30°正弯，积迭线沿叶高方向为“C”型和倒“J”型;根部和顶部弯高覆盖了扭曲叶片计算结果的二次流区域，中间用样条曲线光滑过度。叶栅的额定气动参数:栅前总压65828Pa，栅前总温361．5K，出口背压39043Pa，栅前绝对进汽角73．6°(对应攻角－5°);低速工况气动参数:栅前总压31500Pa，栅前总温347．5K，出口背压为25703Pa;低工况进出口参数:栅前总压31500．72Pa，栅前总温347．53K，出口背压25703Pa，栅前进汽角36．7°(对应攻角+10°);用FINE/TURBO求解器求解，流动方程为雷诺平均N－S方程，流动介质为Condensablewatersteam，湍流模型为Spalart－Allmaras模型，CFL数为3，物理边界选无滑移绝热，计算网格节点数大约180万，几种叶片模型网格图1所示。

2数值结果分析

表1列出了各个方案在额定工况和低速工况下的等熵效率，在额定工况下改型后的叶片优于原型叶片，后加载叶片和后加载弯扭叶片优于改型叶片，低速工况下改型叶片优于后加载叶片和弯扭叶片。

2．1额定工况下静叶表面的静压分布图3分别给出了3种叶栅在根、中、顶部(10%，50%和90%叶高)沿叶型的静压分布。由图可知原始叶型在前缘点受到一定的攻角影响，来流在前缘点开始形成附面层，沿着叶型分流在压力面和吸力面流动;在20%弦长前做负功，在此后边界层在压力面平滑过渡到60%弦长位置，然后在一定的正压梯度下继续膨胀直到尾缘，在吸力面20%－60%的范围内也在较大的正压梯度下膨胀，在此后又在逆压梯度作用下缓慢减速，然后再膨胀加速，接近尾缘时又缓慢减速直到出口;改型后的叶片在前缘位置也受到攻角的影响，但影响范围只是在10%弦长以内，之后附面层在压力面先缓慢减速到60%位置，之后在较大的正压梯度下膨胀直至尾缘处，在吸力面10%－90%弦长的范围内都在均匀的正压梯度下加速，然后遭遇逆压梯度“爬坡”至尾缘出口。在中截面，原始叶型和改型叶片受到攻角的影响范围均在10%弦长的范围内，但改进叶型受到攻角的影响范围较小，后加载叶型基本不受攻角的影响;在吸力面上，改型叶片和后加载叶片都是以较大的正压梯度加速到70%的位置，然后“爬坡”直到尾缘，原始叶型在60%弦长处遭遇一次较大的逆压梯度，而后与其它叶片一样减速至尾缘;在顶部截面，3种叶片在10%弦长之前都受到攻角的影响，其中，后加载叶片影响最小，之后在吸力面和压力面的压力走势基本一致，原始叶片在吸力面受到的正压梯度和逆压梯度都是最大的，改型叶片次之，后加载叶片最小。在逆压梯度段，边界层流动可能出现两种情况;一是在最低压力点边界层分离开来形成一个泡，并可能变成过渡性质的，然后再附着成为湍流;二是边界层不再附着于叶型表面，而是产生湍流分离。无论发生哪一种情况，边界层遇逆压梯度都将导致流动严重恶化，流动损失大幅增加。由此可见，采取措施控制沿叶型，特别是沿吸力面压力分布中的逆压梯度段的个数、逆压梯度段的长度以及逆压梯度段中逆压梯度值的大小是减小叶型损失的关键。改进叶型和后加载叶型都受到负攻角的影响，影响范围在前缘附近10%的范围内，后加载叶型在吸力面的压力最低点明显后移，对边界层的增厚起到抑制作用，推迟了根顶部端壁二次流的生成和发展，且叶栅在后半段膨胀的膨胀加速减小了尾缘附近附面层的堆积。

2．2额定工况下动叶表面的静压分布原型动叶栅和改型动叶栅在根、中、顶部3个截面都受到攻角的影响，但影响范围都在10%弦长内，在过了攻角影响范围之后，原始叶型的流动平滑过渡到30%弦长处，然后在正压梯度的作用下加速流动到接近尾缘的位置再减速直到出口，改型动叶栅一直平滑过渡到80%弦长，再快速膨胀到尾缘。在吸力面，两种叶栅的根部流动类似，改型后叶栅压力最低点出现的位置向后推迟。中截面的流动和根截面类似，在顶部截面原始叶型的流动较为复杂，在35%弦长之前都受到攻角的影响，而后在压力面先加速再减速直到出口，改型叶栅在15%弦长之前也受到攻角的影响，动叶片在设计过程中给出了一定的负攻角，使得在该级动叶前部的吸力侧，压力先减小后逐渐增大，压力沿叶型的分布呈现“∞”型，如图4所示。

2．3低速工况下静压沿静叶叶型分布图5给出了低速工况时3种静叶表面静压沿着叶型布，由于叶型在设计的时候沿着叶高方向给了一定的负攻角来抵消低速工况时所对应的较大的正攻角，因此在低速工况时改型叶栅和后加载叶栅均有一定的正攻角，且攻角沿叶高方向逐渐增大。由图可以看出，在中、顶截面叶型压力侧从前缘开始在一定的正压力梯度下逐渐加速一直到尾缘，边界层在流动过程中缓慢增厚;根部截面压力侧从10%弦长开始先均匀过渡，之后以较大的速度加速直到尾缘;压力侧产生的流动损失仅占总叶型损失的10%－20%，气流在叶型吸力侧的流动要比压力侧复杂很多，汽流在前缘处均遭遇一次压力低点，往后边界层遭遇逆压梯度，尤其在根部截面还多次受到时正时负的压力梯度，附面层厚度加速增加，甚至发生转捩，由层流转为湍流，叶型损失的80%发生在吸力面一侧。对比3种叶栅，静叶片在根、中、顶截面都在吸力面受到攻角的影响，流动连续多次遭遇逆压力梯度。

2．4低速工况下静压沿动叶叶型分布在低速工况时候两种叶栅都遭遇正攻角的影响，影响范围的大小取决于攻角的大小和叶栅对攻角的适应性。图6给出了叶栅在低速工况时动叶表面静压沿着叶型分布。总体上看，改型后的叶片在压力面上较为平滑的过渡到尾缘;在吸力面上改型叶栅的压力低点出现的位置较原始叶栅靠后;从前缘处压力分布看，改型后的叶栅对攻角的适应性明显增强，同时改型叶栅受到的正攻角小于原始叶栅的攻角，尤其在顶部截面，负面层厚度的增长远远小于原始叶栅，做功能力明显增强。图7为各种叶栅的反动度沿着叶高的分布，(图7－图10中横轴为叶片相对叶高位置，纵轴分别为反动度、静压(Pa)、总压损失系数)。由于采用可控涡的设计方法时，考虑了径向分速度(Cr＞0)的存在会产生离心力的径向分量，还有子午方向产生的惯性力的径向分量为负值，由完全径向平衡方程可知，这两项能部分抵消叶轮回转面内流体微团的离心力，让流体微团整体往半径小的区域增加，在这些因素的影响下，压力沿着半径的版画趋于缓慢，有利于提高根部反动度，在采用弯扭叶片之后，这种效应变的更为明显。

2．5静压沿叶高的分布由于流体通道呈扇形，且在离心力的作用下，流体在径向总是向半径增大的方向流动，这样会造成很大的漏气损失，弯曲叶片能部分地解决这个问题。图8比较了常规叶片和弯曲叶片在半径方向上的静压分布，在静叶圆周方向取一通流截面，得出的静压分布为“C”型，由于中间部分压力较低，可将两端的流体吸引到中部，这对减少端部损失是很有利的。

2．6总压损失系数沿叶高的分布定义总压损失系数ζ=(P*0－P*1)/(P*1－P1);其中P*0，P*1，P1分别为进口总压、出口总压和出口静压(单位均为Pa);图9给出了总压损失系数沿着叶高的变化，在之前后加载叶型的基础上演化来的“C”型正弯曲(弯角25°和30°)和“J”型正弯曲(弯角25°);在叶片未弯曲之前总压损失系数沿着叶高几乎为一条直线，而顶部压损较大，根部压损较小，弯曲之后总压损失系数沿着叶高为“C”型分布，在根部和顶部的损失系数有所降低，在中间部分压力损失系数则有所提高，这是因为两端壁的流动有很大一部分被吸引到主流区，虽然可以减小端壁的二次流损失，但将边界层吸到主流区也要损耗一部分能量，因此中部的损失系数有所增加;但总的压力损失还是有所降低，正弯叶片造成压力沿着叶高方向更为均匀合理，由于弯曲叶片吸力面和压力面之间的压差小于常规叶片，这等于从两端壁面上削弱了横向二次流，但不是任何一个弯角都会使级效率提高，只有当端壁减小的二次流损失能抵消叶型损失的增加，这样的弯曲才比较合理，本研究所使用的叶栅合理的弯角范围为25°－30°。

3结论

(1)为了提高低速工况的级效率，静叶顶部给不超过5°的负攻角，在动叶叶顶位置给不超过20的负攻角，根部给小于3°的负攻角，这样做会略微降低额定工况的功率，却能大大提高低工况的经济性。(2)从两个工况下的单级级效率来看，在后加载叶型基础上的弯扭叶片性能最好，后加载叶型次之，通过合理控制沿着叶高方向的出口气流角，使得反动度沿着叶高更为均匀，也间接的证明了可控涡的设计方法优于等环量设计方法。(3)叶片的正弯曲可以有效降低二次流损失，同时也导致其它损失的增加，因此叶片弯扭成型法同其它方法配合能提高效率;在同样的进排汽参数下，“C”型正弯叶片在两个工况下的效率均高于“J”型正弯叶片，对于本研究讨论的叶栅，25°－30°的弯角最为合理。

作者：康磊张秀峰王超罗小明单位：中国船舶重工集团公司第七〇三研究所哈尔滨汽轮机厂有限责任公司