叶冠齿顶间隙对涡轮气动性能的影响研究.pdf

第 2期 总第 1 8 9期 2 0 1 5年 O 4月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT0MAT1 0N NO． 2 Apr ． 文章编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 5 0 2 0 0 2 9 0 3 叶冠齿顶 间隙对涡轮气动性能的影响研 究 马 石 ，刘永葆 。 ，缪四春 ，罗响午 1 ．海军X - 程 大学 热科 学与动力工程研 究室，湖北 武汉4 3 0 0 3 3 ；2 ． 海军工程大学 舰船动力工 程军队重 点实验 室，湖北 武汉4 3 0 0 3 3 ；3 ． 海军_T - 程大 学 动力 _T - 程 学院 ，湖 北 武汉4 3 0 0 3 3 ；4 ． 9 1 2 5 1部 队， 上 海2 0 0 9 4 0 摘要 通过数值 方法对某二级带冠 涡轮的流场进行研 究，分析 了齿顶间 隙对涡轮 气动性能的影响。研 究结果 表 明泄漏流 与主流掺 混后形成 一个 涡流 区，改变 了叶栅上半通道 的流场结构 ；随着齿顶 间隙的增加 ，涡轮 的流量 先快速 增加后趋于平缓 ，涡轮 的效率先快速减小后趋 于平缓 ；同时发现不 同工况下 ，涡轮 的流量 和效 率 的变化趋势相 同。 关键词 齿顶 间隙；气动性能 ；涡轮 中图分类号 TP 3 9 1 ． 7 TK 4 7 4 ． 7 文献标识码 A 0 引言 涡轮动叶设计成顶部带冠结构 ， 能够减小泄漏流 量 ， 并 减 小泄 漏 流对 主流 流动 带来 的负 面影 响 ， 因此 叶 片带 冠 的设 计 得 到 了 广 泛 的研 究 与 应 用 。D e n t o n [ 首先 对带 冠 叶片 进行 了气 动 方 面 的 研 究 ， 建 立 了 涡轮 叶顶间隙泄漏 流动的损失模 型和经验公式 。R o s i c [ 对叶冠的篦齿结构进行了相关研究 。吴 丁毅 基 于实 验对直通式篦齿和台阶式篦齿进行 了研究 ， 得 出了篦 齿厚度与齿隙比对流场的影响。吕强 研究 了不 同迷 宫式气封齿数时的动 叶顶部泄漏流动特性 ， 并分析 了 泄漏流与主流掺混后 的流场对下级静叶性能的影响。 鄢景 对某型燃气轮机三级涡轮进行 了数值模 拟 ， 主 要分析了无冠动叶栅和有冠动叶栅顶部 的间隙泄漏涡 和通 道涡 的 三维 流动 结构 。杜 发青 l_ 6 和刘 高文 主要 研 究 了不 同 的篦齿 结 构 、 齿 数 、 压 比和转 速 对泄 漏 流 的 影 响 。房 友龙 对 涡轮 叶顶 间 隙 的变化 规律 进行 了研 究 。王鹏飞L 9 分析了叶冠齿顶间隙对涡轮气动性能 的 影响 ， 但并没有对不同工况下齿顶 间隙对涡轮 的气动 性 能进 行研 究 。 本 文 以某 二级 轴 流 带 冠 涡轮 为研 究 对 象 ， 通 过 三 维数值模拟分析了叶冠齿腔内涡流结构 ， 并主要分析 了在不 同 工况 下 ， 齿 顶 间 隙对 涡轮流 量 和效 率 的影 响 。 1 物理模型与数值方法 1 ． 1物理 模 型与边 界 条件 图 1为某二 级 带 冠 涡 轮 的 真 实 篦齿 结 构 示 意 图 ， 其 相关 尺 寸见 表 1 。边 界 条件 按 该 燃气 轮 机 试 车 时 所 测试 的数据进行设置 ， 0 ． 3 5 、 0 ． 7和 1 ． 0三种工况点的 边 界条 件见 表 2 。 1 ． 2数 值 方 法 本 文 采 用 商 用 C F D 软 件 Nu me c a 的 F I NE ／ Tu r b o模块进行计算 ， 求解三维定常雷诺平均的 NS 方 程组 ， 采 用 中心节 点有 限体 积 法进 行离 散 ， 空 间差 分 采用 了 二 阶 中心 差 分 格 式 ， 时 间 项 采 用 4阶 Ru n g e Ku t t a法迭代 求解 ， 湍流模 型采用 S p a l a r t Al l a ma r a s 模型。模型的网格采用 Nu me c a软件包 的 Au t o g r i d 5 生成 ， 叶栅通道采用 O4 H 型拓扑网格结构 ， 网格 数量 约为 4 1 O 个 。为 了准确地模拟 出边界层 内的流动 特性 ， 所有壁面处 的y值小于 2 。图 2为二级涡轮模 型 的计算 网格 。 图 1 某二级 带冠涡轮的真实篦齿 结构 示意图 表 1 篦齿 相关尺寸 mm 齿顶间隙 c 2 ． 5 齿顶 高度 Rl 4 7 5 齿顶宽度 s 0 ． 3 第 一个齿 根半 径 R3 4 6 8 第一个齿宽 w 1 ． 3 第 三个 齿根半 径 R2 4 7 O 第二个齿宽 wz 0 ． 8 前两个齿齿距 d 1 1 2 第三个齿宽 w3 0 ． 8 后两个齿齿距 2 9 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 3 0 }修订 日期 2 0 1 4 1 2 1 1 作者简介 马石 1 9 8 9 一 ，男 ，辽宁葫芦岛人 ，在读硕士研究生 ，研究方 向 舰用燃气 轮机设 计 、仿真与优化 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 5年 第 2期 2计 算 方法 验证 图 3为 2 ． 5 mm齿顶间隙高度时涡轮流量数值模 拟结 果 与试 车数 据 的 对 比 。从 图 3中 可 以 看 出 ， 数 值 计 算 结果 与试 车 数据 在 0 ． 3 5 、 0 ． 7和 1 ． 0三 种 不 同 工 况点的涡轮流量变化趋势一致 ， 数值计算结果与试车 数据 的涡轮流量偏差约为 4 。 表 2 三种工 况点 的边界条件 工 况 o ． 3 5工 况 o ． 7工 况 1 ． o工 况 入 口压 力 P a 1 1 5 1 5 6 O 1 5 0 9 6 0 0 1 9 4 9 2 3 0 入 口温度 K l 2 2 8 1 4 3 8 1 5 4 3 出口压力 P a 2 3 6 7 8 1 3 0 1 0 0 0 3 7 6 4 3 8 l ∞ ● bD ＼ 删 避 2 二级涡轮模 型的计 算网格 时 ＼ 幽 艋 敏感 ， 齿顶 问 隙较大 时 ， 齿 顶 间隙对 涡轮流 量 的影 响程 度 不大 。 对 比不 同工 况 下 流 量 的 变化 情 况 可 以发 现 流 量 的变 化 速度相 差 较小 。 叶冠出 13涡流 区 图 4叶冠 间隙流体流动结构 表 3不 同工况下涡轮流量 随齿顶间隙的变化k g S 齿顶 间隙 mm 0 ． 3 5工况 0 ． 7工 况 1 ． 0工况 0． 5 7 5 ． 1 5 6 0． 2 6 4 9． 6 7 1 ． O 7 5 ． 3 3 6 0． 41 4 9 ． 7 9 1 ． 5 7 5 ．4 3 6 O ． 5 O 4 9 ． 8 8 2 ． O 7 5 ．5 1 6 0 ． 57 4 9 ． 9 2 2 ． 5 7 5 ． 5 6 6 O ． 6 O 4 9． 9 4 3 ． o 7 5 ． 5 8 6 O ． 6 2 49 ． 9 5 3 ． 5 7 5 ． 5 9 6 0 ． 6 4 49 ． 9 6 4 ． O 7 5 ． 6 0 6 0 ． 6 4 4 9 ． 9 7 图 5为 不 同工 况下 涡 轮 效 率 随 齿 顶 间 隙 的变 化 。 从图 5可以看出， 同一工况下 ， 涡轮的效率随齿顶间隙 的增加呈 逐渐 减小 的变 化趋 势 ， 当齿 顶 间 隙小 于 3 mm 时 ， 涡轮效 率 的减 小 速 度较 快 ； 当齿 顶 间 隙大 于 3 mm 时 ， 涡轮效率的减小速度较小， 并趋于平缓。 8 9 ． O 8 8 ．5 8 8 ．O 8 7 ．5 ＼ 瓣 8 7 ． 0 较 8 6 ． 5 8 6 ．O 8 5 ．5 85 ． O 齿顶 间隙／ 衄 图 5 不 同工 况下涡轮效率随齿顶 间隙的变化 图 6为第二级静 叶表面的压力 分布。从 图 6 a 和 图 6 b 可 以 看 出 ， 不 同齿 顶 间 隙 下 ， 第 二 级 静 叶 1 0 ％和 5 O 叶高截面上 的压力分布曲线基本重合 ， 表 示 叶片表 面 的压 力 大 小 基 本 相 同 。从 图 6 c 可 以 发 现 ， 齿顶间隙对 9 0 叶高截面的压力产生了很大的影 响 ， 尤其 对 叶 片前 缘 3 O 左 右 的影 响 最 为 明显 ， 齿 顶 间隙越 大 ， 叶片 表面 的压 力 越 大 ， 因为 间 隙 较 大 时 ， 产 生的泄漏量较大 ， 从而对第二级静叶的影响程度越大。 凸一 、 、 { 箍 0 ． 0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 0． 0 0 ． 2 0． 4 0． 6 0 ． 8 1 ． 0 0 ． 0 0 ． 2 0． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 截面沿轴向相对位置 截面沿轴向相对位置 截面沿轴向相对位置 a 1 0 ％ 叶高截面 b 5 0 ％ 叶高截面 c 9 0 ％ 叶高截面 图 6不同齿顶间隙下第二级静 叶表面压力分布 图 印 佰 ∞ 弱 ∞ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 2期 机 械 工 程 与 自 动 化 4结论 本文通过对某二级轴流涡轮 的数值模拟 ， 对 叶冠 顶部间隙内的流动结构进行 了分析 ， 发现泄漏流在齿 腔 内形成 较 大 的涡 流 区 ， 在 篦 齿顶 部 紧贴 机 匣壁 面形 成射 流 区 ， 泄 漏 流与 主 流 掺混 后 在 叶 冠 出 口紧贴 壁 面 处形成一个较小的涡流 区， 改变了下 级静 叶顶部压力 分 布 ， 对 涡轮 的气 动 性 能 产 生 了负 面 影 响 。通 过 对 不 同工况下间隙对涡轮的流量 和效率 的数值计算发现 随着齿顶间隙的增加， 涡轮的流量先 快速增加后趋 于 平缓， 涡轮的效率先快速减小后趋于平缓 ； 同时发现工 况不同时 ， 涡轮的流量和效率有着相同的变化趋势。 参考 文献 [ 1 ] D e n t o n J D ．L o s s me c h a n i s m i n t u r b o ma c h i n e s l- J ] ．J o u r na l o f Tur bo ma c hi ne r y， 1 9 93， 11 5 4 621 6 56 ． [ 2 ] [ 3 ] Ro s i c B，De n t o n J D．Co n t r o l o f s h r o u d l e a k a g e l o s s b y r e d u c i n g c i r c u mf e r e n t i a l mi x i n g[ J ] ．AS ME J o u r n a l o f Tur bomac hi n e r y， 2 0 08， 1 3 0 1 - 7 ． 吴 丁 毅． 两 类 常用 篦 齿 密封 和临 界 特 性 的 分 析 与 比较 1- 4 ] [ 5 ] E 6 ] [ 7 ] l- 8 ] [ 9 ] [ J ] ． 航空动力学报 ， 1 9 9 7 ， 1 2 4 3 ． 9 7 4 0 0 ． 吕强 ， 李军 ， 李国君 ， 等． 动 叶围带顶 部泄漏 流动对透 平级 气动性能影响 的数值研 究[ J ] ． 工程 热物 理学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 1 8 5 8 8． 鄢景 ， 杨 自春． 动力涡轮有冠及 无冠 动叶顶部 二次流 的数 值分 析[ J ] ． 燃气轮机技 术 ， 2 0 1 1 ， 2 4 2 3 0 3 4 ． 杜发青 ， 吉洪湖 ， 帅海 山， 等． 齿 形几何 参数对 直通篦 齿封 严泄露特性影响 的正交 实验 l- J ] ． 航 空动 力学报 ， 2 0 1 3 ， 2 8 4 8 2 5 8 3 1 ． 刘高文 ， 蒋 兆午 ， 务为涛 ， 等． 基 于数值 模拟 的矩形 凹槽对 直通型篦 齿 封严 特 性 影 响研 究 [ J ] ． 推 进技 术 ， 2 0 1 3 ， 3 4 2 1 81 18 6． 房友龙 ， 刘 永葆 ， 余又红 ， 等． 热和离 心力耦合 作用下 燃气 涡轮叶顶间 隙变化 [ J ] ． 海军工 程大 学学报 ， 2 0 1 1 ， 2 3 3 2 2 2 5． 王鹏飞 ， 郭 文 ， 刘玉芳 ， 等． 直通式篦 齿封严 特性 的数 值分 析和试验研究r J ] ． 燃 气涡轮试验与研究 ， 2 0 0 9 ， 2 2 1 3 2 37 ． Ef f e c t o f Ti p Cl e a r a nc e o n Ae r o d y na m i c Pe r f o r m a n c e o f Tu r b i ne M A Shi ’ ，LI U Yo ng - ba o ，M I U Si - c hu n ，LUO Xi a n g - wu ’ ’ 。 1 ． I n s t i t u t e o f Th e r ma l S c i e n c e a n d Po we r En gine e r i n g，Na v a l Uni v e r s i t y o f En g i n e e r i n g，W uh a n 43 0 03 3，Ch i n a；2 ． M i l i t a r y Ke y La b o r a t o r y f o r Na v a l Sh i p P o we r En g i n e e r i n g， Na v a l Un i v e r s i t y o f En gi n e e r i n g， W u h a n 4 3 0 0 3 3， Ch i n a； 3 ． Co l l e g e o f Po we r En gi n e e r i n g， Na v a l Un i v e r s i t y o f Eng i n e e r i n g，W u h a n 4 3 0 0 33，Ch i n a ；4 ． No ． 9 1 2 5 1 Ar my o f PLA ，Sh a n g h a i 2 0 0 94 0，China Ab s t r a c t Th e f l o w f i e l d o f a t wo - s t a g e t u r b i n e wi t h s h r o u d wa s s t u d i e d b y a n u me r i c a l s i m u l a t i o n p r o g r a m． Th e e f f e c t s o f t h e t i p c l e a r a n c e o n t h e t u r b i n e a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e we r e a n a l y z e d ．Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s i s f o l l o wi n gTh e mi x i n g b e t we e n l e a k a g e a n d ma i n f l o w l e a d s t o a t u r b u l e n c e a r e a ， wh i c h a l t e r s t h e f l o w s t r u c t u r e o f t h e u p p e r h a l f c h a n n e l ； W i t h t h e i n c r e a s e o f t i p c l e a r a n c e 。t h e f l o w i n c r e a s e s i n t r a f f i c f i r s t a n d t h e n t e n d s t o g e n t l e ，t h e e f f i c i e n c y d e c r e a s e s i n t r a f f i c f i r s t a n d t h e n t e n d t o g e n t l e ； I n a ddi t i on，t he f l ow an d t he e f f i c i e nc y ha v e t he s a me t r e n ds i n d i f f e r e nt c o ndi t i ons ． Ke y wor d st i p c l e a r a n c e；a e r od yn a m i c p e r f o r ma nc e；t ur bi ne 上接第 2 8页 4结束 语 本 文从 理论 上分 析 了通用 桥 架式起 重 机 大车运 行 机构 上采 用 AB S系统 改善 其制 动性 能 的可 行性 ， 通 过 简化模 型分析了在最不利工况下采用 AB S系统对起 重机 大 车运 行机 构 制 动性 能 的影 响 ， 从 而得 出 以下 结 论 在桥 架式 起 重机 大车 运行 机构 上 采用 AB S系统 在 理论 上 是可 行 的 ， 在 成 本 上 相 对 于 变频 技术 具 有 一 定 优势 ， 值得进一步加强理论研究和实验检验 。 参考文献 [ 1 ] 殷 宏． 起 重 机 运行 机 构 的打 滑计 算 [ J ] ． 建 筑 机械 ， 1 9 9 6 6 1 6 - 1 8 ． [ 2 ] 宋健 ， 陈在峰． 制 动器耗 散 功率最 大 为 目标 的 AB S控 制 方法[ J ] ． 清华大学学 报 自然科学 版 ， 1 9 9 7 ， 3 7 1 2 9 5 9 8． [ 3 ] 谢 合岭 ， 郑 树 民． 起 重 机延 时 点动 制 动控 制 装 置 中 国 ， 9 1 2 2 7 4 0 7 ． 7 l- P ] ． 1 9 9 2 0 5 2 0 ． Fe a s i b i l i t y S t u d y o n Appl y i ng ABS Te c h no l o g y t o Br i d g e Cr a n e GAO J i a n，ZHANG Li a n g - y o u，T I AN Ch e n g - g a n g Sc h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i ng，Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s o f t h e e n e r g y d i s s i p a t i o n i n t h e b r a k i n g p r o c e s s o f c r a n e b i g wh e e l e d ma c h i n e ，t h e p a p e r p r e s e n t s a c o n t r o l l o g i c o f t h e a n t i l o c k b r a k i n g s y s t e m AB S f o r t h e me c h a n i s m． Th e AB S c a n b e u s e d t o i n c r e a s e t h e b r a k e mo me n t a n d i m p r o v e t h e b r a k i n g p e r f o r ma n c e．wi t h o u t a n y r e s t r i c t i o n f r o m wh e e l l o c k i n t h e i n c h i n g b r a k i n g ． Ba s e d o n a c r a n e u s e d i n a s t o r e h o u s e 。t h e s i mp l i f i e d ma t h e ma t i c a l mo d e l s o f c o n v e n t i o n a l b r a k i n g s y s t e m a n d a n t i l o c k b r a k i n g s y s t e m a r e s e t u p r e s p e c t i v e l y ． Th e c a l c u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e b a r k i n g d i s t a n c e o f t h e c r a n e b i g wh e e l e d ma c h i n e wi t h AB S i s n e a r l y i n h a l f c o m p a r e d wi t h t h e c o n v e n t i o n a l o n e wh e n i t s b a r k i n g t i me i S o n l y s l i g h t l y d e c r e a s e d ． Ke y wo r ds b r i d g e c r a n e ；ABS；f e a s i b i l i t y s t u d y ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m