某型汽轮机速度级流场气动性能的数值研究-.pdf

第 5 2卷 第 4期 2 0 1 0年 8月 汽轮机技术 TURBI NE TECHN0L 0GY Vo 1 ． 5 2 No ． 4 Au g ． 2 0 1 0 某型汽轮机速度级流场气动性能 的数值研究 刘子亘 ， 邹积国 ， 于剑锋 ， 冀 洵。 1中国船舶重工集团公司第7 0 3研 究所， 哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 ； 2中国舰船研 究院， 北京 1 0 0 1 9 2 摘要 对采用半寇蒂斯级设计思想、 具有局部进气的汽轮机复速级 ， 进行了三维整周数值模拟 ， 分析了设计工况下 该复速级第一级叶片的气动性能。计算结果表明， 半寇蒂斯级非喷嘴区域内的压力远低于喷嘴区域的压力和平均 压力 ， 在喷嘴 区域 的边 界部位 出现 由较 高压 力向较低压力的急剧变化 。非 进气弧段 与进气弧 段之 间的压力差 值相 对较大。在非进气弧段的两端 ， 动叶将承受方向相反的由于高压 区向低压区气体流动形成的气动力矩 的作用， 这 会导致下游叶片的压力分布发生明显变化。 关键词 汽轮机 ； 半寇蒂级 ； 局部进汽； 数值模拟； 叶片 分类号 T K 4 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 5 8 8 4 2 0 1 0 0 4 - 0 2 4 1 -03 Nu me r i c a l I n v e s t i g a t i o n o n t h e Ae r o d y n a mi c C h a r a c t e r i s t i c o f t h e F l o w F i e l d o f a S t e a m T u r b i n e Do u b l e ． v e l o c i t y S t a g e L I U Z i g e n ， Z O U J i - g u o ， Y U J i a n ． f e n g ， J I X u n 1 C h i n a S h i p b u i l d i n g I n d u s t r y C o r p o r a t i o n ， N o ．7 0 3 R e s e a r c h I n s t i t u t e ， H a r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a ； 2 C h i n a S h i p R e s e a r c h a n d D e v e l o p me n t A c a d e m y ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 2 ， C h i n a Ab s t r a c t A t h r e e d i me n s i o n a l n u me r i c a l s i mu l a t i o n o n t h e w h o l e c y c l e o f s t e a m t u r b i n e v e l o c i t y s t a g e wi t h s e mi c u r t i s s t a g e d e s i g n i d e a a n d l o c a l i n l e t w a s c a r r i e d o u t I n t h i s a r t i c l e ， ．An a l y s i s o n t h e a e r o d y n a mi c p e rfo r ma n c e o f t h e f i r s t s t a g e b l a d e u n d e r t h e d e s i gn c o n d i t i o n wa s c o n d u c t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r e s s u r e i n t h e n o n n o z z l e r e g i o n o f t h e s e mi c u rt i s s t a g e i s f a r l o we r t h a n t h a t o f n o z z l e r e g i o n a s we l l a s t h e me a n pr e s s ur e ．I n t he b o r de r a r ea o f n o z z l e r e g i o n， t he d r a ma t i c c h a n g e s f r o m t h e h i g h e r p r e s s u r e t o t h e l o w e r o c c u e d ．T h e p r e s s u r e d i f f e r e n c e b e t we e n t h e n o n i n l e t a r c a n d i n l e t a r c p a r t i s r e l a t i v e l y l a r g e r ．O n t h e t w o e n d s o f t h e n o n i n l e t a r c， t h e r o t o r b l a d e s w i l l e n d u r e t h e o p p o s i t e a e r o d y n a mi c t o r q u e d u e t o t h e s t e a m fl o w fr o m h i g h p r e s s u r e a r e a t o t h e a r e a o f l o w p r e s s u r e， wh i c h w i l l l e a d t o t h e b l a d e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n d o wns t r e a m c h a n ge s i g ni fic a n tly． Ke y wor d s s t e am t ur b i ne； s e mi - c ur t i s s t a ge； par t i a l a dmi s s i on； nume r i c a l s i mul at i o n； bl ade 0 前言 由于舰用主汽轮机多工况、 变转速、 变参数的特点 ， 舰用 主汽轮机调节级在保持额定工况具有较高效率的前提下 ， 对 变 工况起 到了调节压力 的作用 。随着工质 流量 的改变 ， 调节 级所承担的压力降和焓降也相应变化， 提高调节级在各工况 下的内效率对舰用主汽轮机性能的提高具有较大意义。近 些年， 对于舰船动力涡轮流场及变工况计算已经开展了一些 研究 。j 。本文对采用寇蒂斯级设计技术的汽轮机复速级 进行了研究 ， 寇蒂斯级的设计思想只有结合其特有结构才能 较好地提高级的内效率 J 。汽轮机通过叶栅做功， 热能和 动能转化为 机 械能 ， 叶栅 流 动 的效 率直 接 影 响汽 轮机 的效 率 ， 所以提高汽轮机效率 的主要途径 是降低 叶型损 失系 数 。另一方面， 汽轮机调节级 的结构形式 ， 关键参数如 速比、 局部进气率， 复速级的反动度分配， 复速级的动叶顶部 相 间隙 立， 复速级凼韭周期、 非定常流动特点等均对汽 收稿 日期 2 0 0 9 -0 3 1 8 轮机的性能产生影 响 。 本文采用数值模拟方法， 研究某型采用半寇蒂斯级设计 思想的汽轮机速度级的气动性能。该速度级将调节级的压 降主要分解到两列静 叶叶栅 ， 降低 了第一列静叶的气动负 荷 ， 起到了减弱流动损失的作用。同时， 第二列静叶由冲动 式叶栅变为反动式叶栅 ， 并且采用较大的收敛度， 以增强气 流在第二列动叶中的做功能力。计算结果表明， 由于第一级 静叶喷嘴出口的压力远远高于调节级的背压， 因此会对非喷 嘴区域的压力分布造成较大影响。半寇蒂斯级非喷嘴区域 内的压力远低于喷嘴区域的压力和平均压力， 因此在喷嘴区 域的边界部位出现由较高压力向较低压力的急剧变化。在 非进气弧段的两端， 动叶将承受方向相反的由于高压区向低 压区气体流动形成的气动力矩的作用， 这会导致下游叶片的 压力分 布发 生明显变化 。 1 计算模型 本文研究的复速级采用了半寇蒂斯级的结构形式。所 作者简介 刘子亘 1 9 7 1 一 ， 男 ， 博士研究生 ， 高级工程师 ， 主要从事 汽轮机设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 2 汽轮机技术 第 5 2卷 谓半寇蒂斯级是相对于传统的复速级而言， 传统的复速级也 称为寇蒂斯级， 其热能、 压力能转化为动能的过程完全发生 在第一列静叶叶栅流道内， 第一列静叶承担了调节级几乎所 有的焓降， 为了充分发挥调节级承担大焓降的能力， 该静叶 甚至采用具有缩放通道形状的超音速喷嘴。喷嘴内气流速 度相当高 ， 二次流动及波系复杂， 叶型、 二次流损失、 激波损 失等均较大， 降低了调节级的内效率。而半寇蒂斯级将调节 级的压降主要分解到两列静叶叶栅 ， 降低了第一列静叶的气 动负荷， 对减弱气流流动损失是有利的， 第二列静叶由冲动 式叶栅变为反动式叶栅也能改善该列叶栅的气动性能， 半寇 蒂斯级的采用会提高调节级的级效率。 文中表 1 、 表2分别给出了计算模型的边界条件类型及 调节级设计工况参数。图 1 表示整周三维叶栅流道的几何 结构 ， 图 2表示第 一列静 、 动 叶片 的流面 网格。图 3给 出了 采用定常、 全周计算条件下半寇蒂斯级叶片的标识方法。在 进行流动分析时 ， 选取典型的叶片或特殊位置 的叶片进行 流 动分析， 而不是每一只叶片都进行 比较分析， 比如选取喷嘴 边界附近的叶片， 各个喷嘴中部位置的叶片， 非进气弧段的 中部位置的叶片等。 表 1 边界条件类型选择 位 置 边 界 类 型 I n l I n 2 I n 3 0u t 壁面 给定 总压 、 总焓 给定 总压 、 总焓 给定 总压 、 总焓 给定 出口压力 相对静 止的黏性壁面条件 表 2 调节级设计工况参数 图 1 整周三维叶栅流道 2 第一级静叶片气动负荷分析 图 4 、 图 5分别表示喷嘴 Ⅲ区左 、 右两侧边界各 3只相邻 叶片的压力分布。从图4可以看到， 在喷嘴Ⅲ区边界， 几何 上的偏 差使 叶片 Al的压力分 布在 整个 叶型上均 有别 于 A 2 图 2 第一列静 、 动叶迥转 面网格 图 3 各列叶栅的叶片排序与标示 和 A 3 。在 A1的压力侧 ， 沿 叶型压力 的变化与 A 2和 A 3基本 相同， 但是在吸力侧 ， 叶型0 ． 8 5 相对轴 向弦长位置以前， A1 的压力均高于其它两 叶片的压力 ， 在0 ． 8 51相对轴向弦 长之 间， 叶片 Al 的压力低于其它两个叶片压力。叶片 A1 吸 力面上的压力分布与其它两只叶片之间存在不同的主要原 因， 一方面是由于喷嘴边界壁面与叶片吸力面的几何畸变使 收敛度较高引起来的， 另一方面， 该叶片斜切部分与非喷嘴 弧段的低压区直接联通， 总体压力分布要低于其它叶片。叶 片 A 1到喷嘴Ⅲ区边界壁面之间的流动空间， 气流通道前部 收敛度较大 ， 后部具 有略微 扩张 的特点 ， 加 上非 喷嘴 区域 较 低的压力状态， 使得气流加速现象较为严重 图4 。这 3只 叶片吸力侧出口附近的最低压力点相比较叶片 A l的最低， 一 、 -R 出 图 4 喷嘴Ⅲ区左侧边界 L 3 相邻 3个叶片的 压力沿叶型分布比较 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 刘子亘等 某型汽轮机速度级流场气动性能的数值研究 2 4 3 A 2次之 ， A 3最高， 表明非喷嘴区域 的低压特点对喷嘴区域 边界上的叶片造成一定影响， 位于喷嘴中心的叶片基本不受 这种 影响。在喷嘴边界 的右侧 ， 非 喷嘴 区域 的影 响相 对要弱 一 些 图 5 。 图6表示各喷嘴区域中部平均半径处叶片压力分布比 较。可以看到， 对于位于各个喷嘴中间位置的叶片， 其压力 分布也存在一定的差异。其中， 喷嘴 I和喷嘴 Ⅱ中部位置对 应的叶片为 A 2 8和 A 2 1 ， 这两 只叶片的压力分布比较接近， 喷嘴Ⅲ中部位置对应的叶片为 A 9 ， 该叶片的压力分布明显 有别于其它两个叶片。 - _ 、 R 图 5喷嘴Ⅲ区右侧边界 R 3 相邻 3个 叶片的 压力沿叶型分布 比较 -_ 、 R 出 图 6 各喷嘴区域 中部叶片压力分布 比较 平均半径处 3 第一级动叶片气动负荷分析 图7表示喷嘴Ⅲ区左边界附近动叶压力分布。B 1到 B 6 是运动至喷嘴 Ⅲ区边界 L 3附近的第一列动叶的 6只叶片， 由于喷嘴边界气流参数具有较强的不均匀性， 这 6只叶片的 叶片载荷差异较 大。其 中， 叶片 B 1 刚接触 喷嘴 Ⅲ区的边界 ， 受非 喷嘴 区域低压 、 低速 的影 响 ， 也开 始受 到 喷嘴 区域 流动 的影响 。对于 图 3中所示 叶片 B 1 3 5和叶片 B 1 3 6 ， 这两 只叶 片前部处于非进气弧段 ， 气体流速很低， 而动叶作高速旋转 运动， 气流在这两只叶片的前缘附近形成较大的负攻角。叶 片 B 1与叶片 B 1 3 6邻近， 但是这两只叶片吸力面附近的流动 情况完全不同。叶片 B 3进入喷嘴Ⅲ区的边缘 ， 开始受到喷 、 R 出 l 日 e e e 。 。 一． 。 自 皇 自 一 ’ ’ ’ 一 二一 1 日日 {-日 h ． ．～ ． ．． F一 一 一一 -日 一B 1 。 一 一一 一 一 一 ▲一B2 tB3 _ ． 一B4 ◆一 B5 e B6 l l i _ ‘ 图 7 喷嘴 Ⅲ区左边界 附近的动叶压 力分布 嘴高速流动 的作用 ， 该叶片存在较大的负攻角。导致叶片 B 2前部出现大范围朝向上游的流动趋势， 使得叶片 B 2的大 部分叶型吸力侧压力大于压力侧， 仅在出口很小的范围内压 力侧压力才大于吸力侧 ， 气流阻碍该叶片运动作负功。运动 至B 1 、 B 2 、 B 3位置的叶片， 其型面压力分布均不正常， 不能对 外输出功， 直到 B 4位置时， 动叶片才开始建立起相对稳定的 由压力面指向吸力面的压差分布， B 4以后的各只叶片才具 有对外做功的能力。 由图7可见， 叶片 B 1 到 B 6的压力值从总体上来看是增 高 的 ， 表现为 叶型压力 面 和吸力 面 的压力 均 同时增 大 ， 这几 只叶片的压力环境是不同的， 表明喷嘴高压区向非喷嘴低压 区的压力 变化 。分析 图 8可 知 ， B 2 3到 B 2 7是位 于喷 嘴 Ⅲ区 中部位置的第一列动叶片。由于喷嘴出口压力的波动 ， 这 5 只叶片表面型线压力也随之波动 如图 9所示 。对于这里 计算的喷嘴流道， 在斜切部分的中部位置， 压力相对较低， 随 着气体流出喷嘴流道， 该低压区向下游和动叶运动的方向移 动 ， 绕流位于 B 2 3和 B 2 4位置的动叶片， 意味着这两只叶片 处 于相对 较低 的压 力 环境 下 ， 低 压 区对 叶片 B 2 3的影 响最 大 ， B 2 4次之 ， 对 于 B 2 3 、 B 2 4 、 B 2 5这 3只叶片 ， 压力面 的压力 呈现出逐渐增高的趋势。 、 R 出 图 8 喷嘴 Ⅲ区 中部位置 的动 叶压力分 布 对于半寇蒂斯级， 非进气弧段与进气弧段之间的压差是 相对较大的， 高压区的气体总是具有向低压区流动的能力。 因此位于非进气弧段两侧的叶片， 气体流动产生的气动力矩 会是 不一样 的 。 沿调 节级 轴 向看 过去 ， 位 于喷 嘴 I区和喷嘴 下转 第 3 0 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 8 汽轮机技术 第 5 2卷 褂 嚣 0 _ [ 1 ] 一 1 0 [ 2 ] - 1 5 [ 3 ] _ 2 0 [ 4 ] 一2 5 3 0 [ 5 ] 图 7 大不平衡振动时频 分布的时 间 一频率 一幅度谱 [ 6 ] 验数据分析结果证明了该方法是可行的。 参 考 文 献 Ad a ms ， Ma u r i c e L． L a r g e Un b a l a n c e Vi b r a t i o n An aly s i s o f S t e a m T u r b in e G e n e r a t o r s [ M] ．E l e c t ri c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ， 1 9 8 4 ． 施维新．转子大不平衡引起轴系破坏机理 的研 究 [ J _ ．河北 电 力技术 ， 1 9 9 2， 1 1 5 1 82 4 ． 陆颂元．汽轮发电机组 大不平衡状 态下非线性 振动特性研 究 [ J ] ．中国电机工程学报 ， 1 9 9 5 1 5 6 3 9 1 3 9 6 ． No r d e n E Hu a n g ， Zh e n g S h e n， S t e v e n R L o n g e t a1．Th e Emp i ri c a l Mo d e De c o mp o s i t i o n a n d t h e Hi l b e r t S p e c t r u m f o r No n l i n e a r a n d No ns t a t i o n a r y Ti me S e rie s An a l y s i s 『 A]．P r o c ．R．S o c ．LOn d l C j ．A 1 9 9 8 4 5 4 9 0 3 9 9 5 ． E Be d r o s i a n ． A P r o d u c t Th e o r e m f o r Hi l b e r t T r a n s f o r i ll s 『A] ． P r o c ．I E E E[ c ] ．1 9 6 3 ， 5 1 5 8 6 88 6 9 ． No r d e n E Hu m g an d Z h a o h u a W u ． A Re v i e w o n Hi l b e r th u a n g T r ans f o r m[ J ] ．R e v i e w s o fG e o p h y s i c s ， 2 0 0 8 ， 4 6 l一 2 3 上 接第 2 4 3页 X 、 图 9 第一列动叶非进气 弧段平均半径处 压力沿叶型的分布 Ⅲ区之间的非进气弧段， 左侧的动叶会在由高压区向低压区 流动的气流作用下产生正的气动力矩， 右侧的动叶类似地亦 会在由高压区向低压区流动的气流的作用下而产生负的气 动力矩 。 4 结论 本章采用数值模拟方法， 研究了采用半寇蒂斯级的新型 速度级的气动性能， 得到以下结论 1 第一级静叶喷嘴出口的压力远远高于调节级的背 压， 对非喷嘴区域的压力分布造成较大影响。半寇蒂斯级非 喷嘴区域内的压力远低于喷嘴区域的压力和平均压力， 因此 在喷嘴区域的边界部位出现由较高压力向较低压力的急剧 变化。 2 非进气弧段与进气弧段之间的压力差值相对较大， 在非进气弧段的两端 ， 动叶将承受方向相反的由于高压区向 低压区气体流动形成的气动力矩的作用， 这会导致下游叶片 的压 力分 布发生 明显变化 。 参 考 文 献 [ 1 ] I e u t e n a r t Or m o n d L ．C u r t i s T u r b i n e D e s i g n [ J ] ．J o u r n a l o f t h e A ． me r i c a n S o c i e t y f o r N a v a l E n g i n e e r s ．2 0 0 9 ， 2 3 2 3 l 一 4 5 8 ． [ 2] 刘顺 隆， 冯永明．一个典 型舰船动力涡轮三维 粘性流动的数值 分析 [ J ] ．哈尔滨工程大学学报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 6 6 1 7 6 2 1 ． [ 3 ] E n s i g n P a u l E ．D e s c ri p t i o n a n d T e s t o f 2 7一i n c h C u rt i s T u r b i n e fo r 5 0一F o o t U ． S ． N a v y C u t t e r [ J ] ．J o u rna l o f t h e A m e ri c a n S o c i e t y for N a v a l E n g i n e e r s ．2 0 0 9， 1 9 9 2 79 3 2 ． [ 4] 刘子亘 ， 刘建成 ， 梅雪艳 ， 沈卓野 ．船用汽轮机 变工况超临界与 超流问题的研究[ J ] ．汽轮机技术， 2 0 0 5 ， 4 7 6 4 4 7 4 5 0 ． [ 5 ] 冯永明， 刘顺隆． 舰船燃气轮机变几何动力涡轮三维粘性流场 的数值分析 [ J ] ．哈 尔滨工 程大 学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 5 5 8 0 5 8 5． [ 6] S t e v e n W．B u r d a n d T e r r e n c e W．S i mo n．F l o w Me a s u r e m e n t s i n a No z z l e Gu i d e Va n e P a s s a g e wi t h a L o w As p e c t Ra t i o a n d E n d wa l l C o n t o u ri n g [ J ] ．J o u rna l o f T u r b o m a c h i n e r y ， 2 0 0 0， 1 2 2 4 6 5 9 6 7 0． [ 7 ] F r a n c e s c o S o r a n n a ， Y i C h i h C h o w a n d J o s e p h K a t z ．T h e E f f e c t o f I n l e t Gu i d e Va n e s Wa k e I mp i n g e me n t o n t h e F l o w S t r u c t u r e a n d T u r b u l e n c e A r o u n d a R o t o r B l a d e 『 J ] ． J o u r n a l o f T u r b o m a c h i n e r y ． 2 0 0 6 ， 1 2 8 1 8 2 9 6 ． [ 8 ] C ．K a p t e i j n a n d J ．A me c k e ， A e r o d y n a mi c P e r f o rma n c e o f a T r a n s o n i c T u r b i n e G u i d e V a n e w i t h T r a i l i n g E d g e C o o l a n t E j e c t i o n P a rt I --E x p e r i m e n t a l A p p m a e h [ J ] ． J o u m a l o f T u r b o m a e h i n e r y ， 1 9 9 6 ， 1 1 8 3 5 1 9 5 2 9 ． [ 9 ] C h o w ， Y ． C ． ， U z o l ， O ． ， a n d K a t z ， J ．O n t h e F l o w a n d T u r b u l e n c e Wi t h i n t h e W a k e a n d B o u n d a r y L a y e r o f a Ro t o r B l a d e Lo c a t e d D o w n s t r e a m o f a n I G V[ R] ．P r o c e e d in g s o f AS M E T u r b o E x p o ， 2 0 03一GT 3 8 5 9 9． [ 1 O ] 刘顺 隆， 冯 永明 ， 刘 敏 ， 王琳．船用燃气轮机动力 涡轮可 调导叶级的流场结构 [ J ] ．热能动力工程 ， 2 0 0 5 ， 2 0 2 1 2 0 1 2 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m