涡轮动叶变冲角气动负荷试验研究-.pdf

第 5 3卷 第 6期 2 0 1 1年 1 2月 汽轮机技术 TURBI NE TECHNOL 0GY V0 1 ． 5 3 No ． 6 De c ． 2 01 l 涡轮动叶变冲角气动负荷试验研究 鞠凤鸣 ， 韩万金 1哈 尔滨汽轮机厂有 限责任公 司， 哈 尔滨 1 5 0 0 4 0； 2哈 尔滨工业大学能源科学与工程学院， 哈 尔滨 ， 1 5 0 0 0 1 摘要 在环形涡轮叶栅低速风洞上 ， 对某型采用后部加载及正弯曲设计的高负荷动叶进行了静态吹风试验。应用 五孑 L 球型测针 ， 详细测量了在 3个冲角下由栅前至栅后 7个横截面内气流参数沿叶高和节距的分布， 同时对各冲 角下 9个不同叶高截面静压系数也进行了测量。试验结果表明， 采用沿叶高改变吸力面最低压力点的后部加载叶 型并结合叶片的正弯， 能够在保持静压沿叶高分布均匀的条件下， 显著降低端部横向压力梯度， 增大主流区叶型的 气动负荷。 关键词 涡轮叶栅； 高负荷 ； 正弯叶片； 后部加载； 试验研究 分类号 V 2 1 1 ． 7 文献标识码 A 丈章编号 1 0 0 1 - 5 8 8 4 2 0 1 1 0 6 - 0 4 4 1 - 0 3 Ex p e r i me n t a l I n v e s t i g a t i o n o n Ae r o d y n a mi c Lo a d o f a Tu r b i n e Ro t o r Bl a d e U n d e r Di ffe r e n t I n c i d e n c e s J U F e n g m in g ’ ． H A N Wa n j i n 1 H a r b i n T u r b i n e C o m p a n y L i m i t e d ， H a r b i n 1 5 0 0 4 0 ， C h i n a ； 2 E n e r g y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g S c h o o l ， H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy， H a r b i n ， 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n a l o w s p e e d a n n u l a r c a s c a d e wi n d t u n n e l ， s t a t i c a e r o d y n a mi c t e s t s we r e p e r f o r me d o n a n a f t ． 1 o a d e d a n d p o s i t i v e l y c u r v e d r o t o r b l a d e c a s c a d e w i t h h i g h l o a d i n g ． Wi t h t h e a p p l i c a t i o n o f fi v e h o l e p i n b a l l ， t h e f l o w p a r a me t e r s i n s e v e n c r o s s s e c t i o n s a l o n g t h e b l a d e h e i g h t a n d p i t c h a t t h r e e i n c i d e n c e s w e r e me a s u r e d i n d e t a i l f r o m t h e fro n t t o t h e b a c k o f t h e b l a d e c a s c a d e ．I n t h e me a n t i me， t h e p r o fi l e s t a t i c p r e s s u r e c o e f f i c i e n t s alo n g b l a d e h e i g h t we r e als o me a s u r e d u n d e r t h e t h r e e i n c i d e n c e s ．T h e r e s u l t s s h o we d t h a t ， w i t h t h e a p p l i c a t i o n o f t h e a f t l o a d e d p r o fi l e s wi t h v a r i a b l e mi n i mu m p r e s s u r e p o i n t s a l o n g b l a d e h e i g h t a n d t h e b l a d e p o s i t i v e c u r v i n g t o t h e d e s i g n o f r o t o r b l a d e ， t h e e n d wall t r a n s v e r s e p r e s s u r e g r a d i e n t wa s r e d u c e d gre a t l y a n d t h e a e r o d y n a mi c l o a d i n g o n t h e b l a d e p r o fi l e i n ma i n s t r e a m r e g i o n wa s i n c r e a s e d， w h i c h n o t o n l y d e c r e a s e d t h e s e c o n d a r y l o s s ， b u t a l s o e n h a n c e d t h e l o a d b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e b l a d e c a s c a d e ． Ke y wo r d s t u r b i n e c a s c a d e ；h i g h l o a d i n g；p o s i t i v e c u r v i n g；a f t - l o a d i n g；e x p e r i me n t a l r e s e a r c h 0 前言 研究高负荷涡轮叶片的设计技术是现代高性能燃气涡 轮发动机的研究热点之一， 在涡轮叶栅的常规设计中， 单级 利用的焓降是有限的⋯。为不断提高现代涡轮发动机的做 功能力， 需要大幅增加涡轮进口温度 ， 这样一来， 又面临如何 有效地解决涡轮冷却这一难点。研究指出[ 2 j ， 如果增加第一 “ f N或者第一级的负荷 ， 能够引起叶列或级有大的温降， 这 能减小或者消除下游及本列叶片需要的冷却气体量。因此 ， 为了减少级数 ， 降低金属材料和加工量消耗 ， 特别是降低通 流部分叶片和转子对稀有耐热合金以及加工量的大量需求 ， 国内外研究者提出了采用高负荷涡轮叶片 。采用高负荷 涡轮叶片， 由于叶片负荷增加， 必然导致涡轮叶栅内发生强 烈的二次流动以及相关的流动分离 ， 从而降低涡轮叶栅气动 敦室 。设让鲞必须在负荷和效率之间做出合理选择 ， 因 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 8 - 2 8 此详细研究高负荷透平内的流动对现代涡轮叶片的设计具 有重要意 义。 目前公开发表的有关高负荷涡轮叶片的文献并不多见。 文献[ 6 ] 研究了具有大折转角的高负荷叶片， 定性地给出了 叶型损失与气动负荷高低 的关系。K i y o s h i S 等用 C F D对 汽轮机高载荷动叶片进行了研究， 并进行了根、 中、 顶 3个截 面的平面叶栅气动性能试验。结果表明， 在不使性能变坏的 情况下， 高载荷动叶片可减少叶片只数约1 4 ％。除了保持了 高效率， 同时降低了制造成本。文献[ 8 ] 在低速风洞上对包 括原型和设计的叶型在内的 3个高负荷低压涡轮叶型中部 叶展气动性能进行了试验研究， 在此基础上设计的4种叶型 分别较原型的负荷系数增大了2 5 ％、 2 5 ％、 4 3 ％和6 1 ％， 但都 没有给出内部流动的详细数据。本文采用沿叶高变负荷结 合叶片弯曲的方法设计了高负荷动叶片， 并在低速风洞上进 行了详细的吹风试验， 研究结果能够为高负荷叶片研究提供 可供参考的实验数据。 作者简介 鞠凤鸣 1 9 7 1 - ， 男 ， 高级工程师 ， 在读博士 ， 主要从 事汽轮机研 制及 开发工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 2 汽轮机技术 第 5 3卷 1 试验模型 试验模型为某涡轮中间级高负荷动叶栅。为满足试验 测试技术的要求， 将实际叶栅几何相似地放大1 ． 2 倍。为 了 克服环形叶栅风洞对试验叶栅的尺寸限制， 以扇形叶栅代替 环形叶栅做试验， 采用足够多的叶片数， 并不影响试验结果 的正确性 。 试验叶片和各个截面叶型如图 1和图2所示， 使用 5孔 球头测针测量由栅前至栅后 7个横截面内气动参数沿叶高 和节距的分布， 7个横截面的轴向位置如图 3所示。在每一 测量站沿节距方向每隔0 ． 3 mm布置一个测量点。试验测量 了沿叶型的静压系数， 在叶片表面由0 ． 1 至0 ． 9 每隔0 ． 1 相对 叶高布置一排沿叶型的静压测孔， 共设置 9排 ， 每排 3 6孔， 其中吸力侧 2 0孔 ， 压力侧 1 8孔。 图 1 实验 叶片 中间级动叶栅的前一叶列为本级的静叶， 但由于在相对 坐标系下研究动叶栅的流动性能， 在动叶前设置导向叶栅模 拟动叶的实际进口流场， 导向叶片出口气流角沿叶高的分布 必须按静叶的相对出气角设计 ， 并且叶片的尾部是可转动 的， 以实现来流对动叶片的冲角变化。 2 试验结果及讨论 静压系数沿叶型的分布是叶栅气动性能最重要的参数 瑚 Ⅱ 根部 X ／ ram 图 2叶型 图 3 测量站设置不意 图 之一， 从其测量结果可以看出叶型损失的大小、 端部横 向压 力梯度、 叶片的气动负荷以及静压沿叶高的分布等。0 。 、 1 0 。 和 一1 0 。 冲角下静压系数沿叶型的分布在图4中给出。 叶型损失的大小主要取决于沿叶型的静压分布， 最关键 的影响因素是在静压分布曲线上逆压梯度段的数量 、 长短与 逆压梯度值的大小。在设计冲角下 ， 凡是气动性能优良的叶 型， 在其吸力侧出口段都仅有一段逆压梯度段， 而且其长度 尽量短， 逆压梯度值尽量小。由图4可以清楚地看到， 在0 。 冲角的整个叶型型面上以及 一1 0 。 和 1 0 。 冲角除去前缘局 部型面外的其它型面上， 在吸力面尾缘仅有一个逆压梯度 段， 该段的长度与逆压梯度值取决于吸力面最低压力点的轴 向位置 。 从图4可以看到 3个试验冲角下不同叶高叶型吸力面 最低压力点的轴向位置。显而易见的是， 吸力面最低压力点 X／ B 中部 图 4 不同冲角下静压系数沿叶型的分 布 曰 c 】 顶部 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6期 鞠凤鸣等 涡轮动叶变冲角气动负荷试验研究 4 4 3 由叶根至叶顶从靠近尾缘逐渐移向上游。根据后部加载叶 型的定义 ， 即吸力面最低压力点位于0 ． 6 相对轴向弦长之后 的叶型称为后部加载叶型， 由叶根至7 0 ％相对叶高采用的都 是后部加载叶型， 只不过吸力面最低压力点逐渐移向上游。 从 7 0 ％叶高至叶顶， 吸力面最低压力点位于 0 ． 5相对轴向弦 长， 本文称这后一种叶型为均匀加载叶型。由此看来 ， 由叶 根至叶顶， 伴随着吸力面最低压力点的逐渐前移， 叶型 由叶 根的吸力面最低压力点靠近尾缘的后部加载叶型， 过渡到叶 展中部的吸力面最低压力点比较靠前的后部加载叶型， 最后 过渡到叶顶 的均匀加载 叶型 。 图 5给出叶片表面静压系数沿叶高的分布。在 3个试 验冲角下， 压力面上相同轴向位置、 不同叶高的静压系数几 乎相等， 这表明在压力面上沿叶高静压是均匀分布的， 边界 层不会发生径向二次流。吸力面上静压沿叶高的分布 比较 3 结论 煳 口 0 o 冲角 复杂 ， 沿轴向大致可分为 3段， 由前缘至5 0 ％轴向位置， 沿叶 高是负压力梯度， 即由叶根至叶顶静压逐渐降低， 可能引起 边界层低能流体在叶顶的集聚。由5 0 ％至7 2 ％轴向弦长， 沿 叶高的静压分布呈“ C ” 型， 也就是说叶栅两端的静压高于叶 展中部。在这一阶段的流动可以再细分为两段 ， 以6 5 ％轴向 弦长为界 ， 其中的第一段， 下端壁的静压高于上端壁 ， 而在第 二段则反之 ， 即下端壁的静压低于上端壁。由7 2 ％轴向弦长 至尾缘 ， 沿叶高出现的是正压力梯度， 边界层低能流体在它 的作用下向叶根吸力侧壁角流动。除此之外， 由叶栅叶根、 中、 顶 3个沿叶型的静压分布比较可见， 在叶根采用后部加 载叶型结合叶片正弯， 显著降低 了气动负荷与横 向压力梯 度。叶顶的气动负荷与叶展中部大地相等， 这就使得叶片在 能够降低二次流损失的同时承担高负荷。 毋 6 1 0 。 冲角 图 5 在不 同叶高静压系数沿叶型的分布 Pa p e r GT 2 0 0 5 6 8 5 4 8， 2 0 0 5 通过上述分析可以得出如下结论 1 采用沿叶高改变吸力面最低压力点的后部加载叶型 并结合叶片的正弯， 在保持沿叶高静压分布均匀的条件下， 能够显著降低端部横向压力梯度， 增大主流区叶型的气动负 荷， 达到了既减小二次流损失又提高叶栅的承载能力。 2 在零冲角下， 本试验高负荷动叶栅沿全部叶高叶型 仅有吸力面尾缘一段逆压梯度段， 在叶型的其余部分边界层 均在顺压梯度作用下加速流动， 叶型损失很小， 大约在0 ． 0 2 至0 ． 0 3 范 围内。 参 考 文 献 [ 1 ] 王仲奇 ， 秦仁编．透平机械 原理 [ M] ．北 京 机械 业 出版社 ， 1 9 8 7 ． [ 2 ] P u l l a n G， D e n t o n J ， C u r t i s E ．I m p r o v i n g t h e P e r f o r manc e o f a T u r - b i n e Wi t h L o w A s p e c t R a t i o S t a t o r s B y Af t l o a d i n g [ R] ．A S ME ． _ ◆ ◆◆◆◆◆ ⋯ ◆◆ ◆◆ ◆◆◆◆◆ ● 煳 c 一 l 0 。 冲角 [ 3 ] P r a i s n e r T J ， A l l e nB r a d l e y E， G r o v e r E A．A p p l i c a t i o n o f N o n a x i s y mme t r i c En d wa l l Co n t o u rin g t o C o n v e n t i o n a l a n d Hi g h l i ft T u r b i n e a i rf o i l [ R] ．A S ME P a p e r G T 2 0 0 7 2 7 5 7 9， 2 0 0 7 ． [ 4] M o u s t a p h a S H， S c h a u b U W．E f f e c t o f N o z z le D e s i g n o n t h e P e r - f o r ma n c e o f a Hi g h l y L o a d e d T u r b i n e S t a g e ． I S ABE 9 3 7 0 9 6， 1 9 9 3． [ 5 ] J o h n D ．C， H o w a r d P ．H．P r e d i c t i n g t h e P r o f i l e L o s s o f g hl i f t Low P r e s s u r e T u r b i n e s [ R] ．G T 2 0 1 0 2 2 6 7 5 ， 2 0 1 0 ． [ 6 ] G ri ffin L W， Hu b e r F W．A d v a n c e m e n t o f T u r b i n e A e r o d y n a mi c D e s i g n T e c h n i q u e [ R] ．A S ME P a p e r 9 3一G T一 3 7 0 ， 1 9 9 3 ． [ 7] K i y o s h i S ， Y o s h i o S ， K u n i y o s h i T， N a o a k i S ．D e v e l o p me n t o f a H i g h l y Loa d e d R o t o r B l a d e f o r S t e a m T u r b i n e s [ J ] ． J S M E I n t e r n a t i o n a l J o u r n a 1 ．S e ri e s B ．2 0 0 2 ， 4 5 4 ． [ 8 ] P o p o v i c I ． ， J ．Z h u ， W．D a i ， S ．A．S j o l a n d e r ．A e r o d y n a m i c s o f a F a mi l y o f Th r e e Hi g h l y L o a d e d LO w p r e s s u r e T u r b i n e Ai rfo i l s Me a s u r e d E ffe c t s o f Re y n o l d s Nu mb e r a n d Tu r b u l e n c e I n t e n s i t y i n S t e a d y F l o w[ R] ．G T 2 0 0 69 1 2 7 1 ， 2 0 0 6 ●, ll, O - 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