调节级局部进汽对下游动叶气动负荷影响的数值研究-.pdf

第 5 2卷 第 1期 2 0 1 0年 2月 汽轮机技术 TURBI NE TECHNOL 0GY V 0 1 ． 5 2 No ． 1 F e b ． 2 Ol O 调节级局部进汽对下游动叶气动负 荷影响的数值研究 刘子亘 ， 曹世裕 ， 韩万金 1中国船舶重工集团第7 0 3研究所， 哈 尔滨 1 5 0 0 3 6 ； 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 基于舰船用主汽轮机多工况、 变转速、 变参数的特点， 应用商业软件 C F X对具有 3组喷嘴的复速级叶栅进行 全周数值模拟， 着重分析了调节级局部进汽对下游动叶气动负荷的影响， 数值模拟结果表明， 各个喷嘴组边界壁面 的存在对流动具有较大影响， 同时喷嘴叶栅 l的叶片型线的不同导致边界畸变对流动的影响更敏感。动叶叶栅的 压力分布特点表明了尾迹低速区和主流低压区是形成 动叶流动参数不稳定 的主要 因素 ， 从 而形成 了叶栅 内特有 的 非定 常流动现象。 关键词 局部进气 ； 调节级 ； 复速级 ； 船舰汽轮机 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 O l - 0 0 4 1 - 0 4 N u m e r i c a l S i m u l a t i o n o f E f f e c t o f A d i u s t S t a g e L o c a l I n t a k e o n Ae r o d y n a mi c a d o f Do w n s t r e a m Ro t o r B l a d e L I U Z i ． g e n 。 C A O S h i ． y u ， H A N Wa n -j in 1 Ha r b i n N o ． 7 0 3 Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Ha r b i n， 1 5 0 0 3 6， C h i n a ； 2 S c h o o l o f 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 ， 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 g y ， H a r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e ma r i n e s t e a m t u r b i n e h a v e t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f ma n y w o r k c o n d i t i o n s ， v a ri a b l e r o t a t e s p e e d a n d v a ria b l e p a r a me t e r ．T h e c o mme r c i a l s o f t w a r e CF X i s a p p l i e d t o s i mu l a t e t h e d o u b l e v e l o c i t y s t a g e t u r b i n e wi t h t h r e e g r o u p n o z z l e s t a g e s ． T h e p a p e r a n al y z e d t h e e ff e c t o f a d j u s t s t a g e l o c al i n t a k e f o r a e r o d y n a m i c l o a d o f d o w n s t r e a m r o t o r b l a d e ．T h e n u me ric a l s i mu 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 o u n d a r y w a l l o f n o z z l e s t a g e h a s a g r e a t e ff e c t o n t h e fl o w i n t h e t u r b i n e a n d t h e n o z z l e s t a g e I d i f f e r e n t b l a d e pr o f i l e h a s als o a n e ffe c t o n t he flo w s e n s i t i v i t y for b o u nd a r y a b e r r a t i o n．Th e s t a t i c pr e s s u r e d i s t ri b u t i o n o f r o t o r b l a d e s h o w t h a t t h e l o w v e l o c i t2 ,, d o ma i n o f t r a i l e d g e a n d t h e l o w p r e s s u r e d o ma i n o f ma i n s t r e a m l e a d t o t h e r o t o r flo w p ara me t e r u n s t e a d y a n d for m t h e un s t e a dy flo w p h e n o me no n o f t u r b i ne c a s c a de ． K e y w o r d s l o c a l i n t a k e ； a d j u s t s t a g e ； d o u b l e v e l o c i t y s t a g e ； ma r i n e s t e a m t u r b i n e 0 前言 舰用主汽轮机调节级存在多种形式， 有单列调节级形 式 ， 单双列调节级结构形式和复速级的结构形式 。 。由于 船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 算有 了一定研 究 。本 文 对采用寇蒂斯级设计思 想的汽轮 机复速级进 行全周数 值 模拟， 着重分析了调节级局部进汽对下游动叶气动负荷的影 响， 数值模拟结果表明， 各个喷嘴组边界壁面的存在对流动 具有较大影响， 同时喷嘴叶栅 I的叶片型线的不同导致边界 畸变 流动的 响更敏感。动叶叶栅的压力分布特点表明 收稿 日期 2 0 0 9 - 0 8 -2 0 了尾迹低速区和主流低压区是形成动叶流动参数不稳定的 主要 因素 ， 从而形成 了叶栅 内特有 的非定 常流动现象。通 过 对应用于某型寇 蒂斯级的叶栅展开研 究 ， 以期获得高性能 高 负荷叶栅 。 1 计算模型 1 ． 1 几何结构 原型复速级采用喷嘴方式进行调节， 喷嘴的布置方式如 图 l 所示， 在周向设置了3个喷嘴组， 分别为 I、 Ⅱ和Ⅲ。其 中， 喷嘴组Ⅲ具有较大的通流尺寸。随着功率的变化， 按照 一 定组合方式开启这 3个喷嘴的进汽阀门， 达到进行功率调 节 的 目的。一般 而言 ， 采用喷嘴 调节方式 ， 该级 容易形成 较 大的沿周向流动不均匀性 ， 特别是在小功率工况， 开启一个 喷嘴， 其它的基本处于关闭状态 ， 使气流的周向不均匀性达 到最大， 复速级效率降低， 从安全角度来说， 这一工作状态也 作者简介 刘子瓦 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 4 2 汽轮机技术 第 5 2卷 图 1 计算域几何模型 是最危险的状态。图 1给出了该列复速级的计算 几何 ， 复速 级多采用较小的速比和反动度， 焓降较大， 级后压力和温度 都大幅度降低。 1 ． 2 计算 网格 叶栅网格的生成采用 T u r b o G r i d完成， 图2给出了喷嘴 和动叶的网格分布特点 。对于静叶而言 ， 整个 网格 由结构化 “ H” 型网格组成， 在静叶叶片流道的计算区域， 共分了 9个 区， 对应图2中的 G lG 9分块区域。其中， G 9为围绕在叶 片周 围的“ O ” 型 网格 ， 该 网格 可看成是首 尾相连 的“ H” 型 网 格。分区 G 1一 G 3位于叶片流道前部 ， G 6一G 8位于叶片流 道后部， 这两组网格实现了贴体附面层“ O” 网格、 流道主体 网格 c 4 、 G 5 与进出口边界的平滑过渡， 如果进出口计算域 较长的话 ， 可方便地在这些区域增加两个“ H” 型进出 口段 。 图 2 叶栅网格特点 T u r b o G r i d 生成的是单个叶栅流道的网格， 可以将每列叶 栅的网格分别导入 C F X， 然后旋转到对应的周向位置， 将相 邻叶栅的原周期性边界连接起来形成该列叶栅全周的计算 域网格， 再按照滑移界面的动静转动关系联接每列叶栅的上 下计算域 ， 形成整个四列叶栅的总体计算域。 调节级原型的静叶喷嘴采用了两种型线， 在 Ⅱ和Ⅲ区域 采用了同一种型线， 喷嘴区域 I 采用了另外一种型线。设计 工况下， 各个喷嘴组具有相同的气动入口条件。 为了准确定位所讨论的叶栅， 采用图3的方式重新定位 与标示叶栅 。对于较 大 的进 汽喷嘴组 Ⅲ， 共 由 1 9个 叶 片组 成， 用 s l ， s 2 ， s 3 ⋯S 1 9来定位每个叶片， 对于喷嘴组 Ⅱ由 8 片叶片组成， 用 2 0到 2 7来表示， 喷嘴组 I也由 8片叶片 组成， 用 2 8到 3 5 来表示。对于第一级动叶， 用 R I～R I O 4 来表示该列 叶 栅 的各个 叶 片 ， 对 于 转 向 叶片 ， 用 M1 ， M 2 ⋯ Ml 1 0来表示每个叶片； 同样对于第二级动叶， 用 N1 ， N 2 N 1 2 2 ， N 1 2 3来表示每个叶片。 图 3 各列叶栅 的叶片排序与标示 2 计算结果分析 对于每个喷嘴组 ， 在构造单个叶栅流道的网格时， 每列 叶栅流道均具有周期性的网格边界， 直接取边界上周期性网 格面作为每个喷嘴组的边界壁面。 2 ． 1 喷嘴边界附近动 叶气动性能分析 对于具有较大通流尺寸的Ⅲ， 图4 o 给出了边界附近 的两个叶片与喷嘴中间某个叶栅的压力分布比较。从图中 可以看出， 对于 s 1和 s 9这两个叶片， 除了叶片尾缘吸力侧 附近 出现少许 差异外 ， 在很 大的范 围内它们 的压力分布基本 是相同的。对于叶片 S 1 9 ， 也仍然是吸力侧的位置出现明显 差异 ， 压力侧不发生变化 。 Ⅱ、 Ⅲ两区采用相同的叶型 ， 因此 图4 n 和图 4 b 中压力 的分布趋 势很相近 。对 于 I区 ， 由 于叶型几何形状的变化， 相对于 Ⅱ区， 叶栅出口的喉部尺寸 减小 ， 导致边 界畸变 对流 动的影 响更 敏感 。因此 ， 叶 片 2 8 的吸力侧 、 3 5的压力侧的压力分布 与喷嘴 中间位置 叶片的 压力分布出现明显差异 ， 而 2 8压力侧和 3 5吸力侧的大部 分范围内， 其压力分布与喷嘴中间位置叶片的压力分布基本 一 致 。 对于较大喷气弧段的动叶叶栅， 叶片 R 1所处的位置基 本上是动叶负荷发生较大变化的位置， R 1 本身压力面到吸 力面的压差基本非常小 ， 但是 R l 下部喷嘴区域， 叶片载荷逐 渐增大， R 1 上部的非喷嘴区域， 叶片载荷突然降低到接近于 零。比较图 5中R1 到 R 4这 4个叶片的压力分布情况可以 看出， 在 R l 下部的喷嘴区域 ， 动叶片负荷逐渐增大达到正常 的工作负荷， 在 R 1 上部的非喷嘴区域， 叶片负荷迅速减小， 叶片吸力面到压力面上的压差基本为零。图5和图 6的结 果表明， 随着转子的转动， 动叶片将逐渐进入喷嘴区域， 受到 喷嘴高速喷出的汽流的冲击作用， 在接触高速汽流后的2～ 3 个动叶节距内， 动叶片的叶片负荷基本达到正常工作的载荷 状态 。 2 ． 2 不 同周 向位置区域内动叶气动性能分析 图7给出了动叶跨过喷嘴边界后的负荷分布情况， 单纯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 刘子亘等 调节级局部进汽对下游动叶气动负荷影响的数值研究 4 3 出 0． 3 0 ． 4 0 ． 5 0． 6 0． 7 0． 8 0． 9 1 ． 0 d 喷嘴Ⅲ区边界 0． 3 0． 4 0． 5 0． 6 0． 7 0． 8 0 ． 9 1 ． 0 喷嘴 Ⅱ区边 界 0喷嘴 1 区边界 图4 喷嘴边界上叶片与 中部叶片平均半径处的压力沿叶型分 布 图 5 喷嘴边界附近动叶叶栅 中部截面压力沿叶型的分布 图 6 喷嘴边 界附近的流动矢量 图 7 跨过喷嘴边界后不 同周向位置动叶中部压力分布 地从图形上看， 在动叶接触汽流后动叶叶栅的负荷分布仍然 存在较大的波动， 特别是在叶栅的前缘附近。由图 7所示 ， R 4 ， R 6 ， R 8这3个叶片的前缘吸力侧压力突然降低， 而 R 5， R 7这两个叶片前缘吸力侧的压力也降低， 但是 ， 是“ 逐渐” 进 行的。图8中的流动表明 R 4 ， R 6这两个叶片较好地切分了 静叶叶栅流道的势流区， 在其前缘附近的压力侧， 相对滞止 后的流体加速不明显 ， 流体增高后的压力在向下游的流动过 程中降低到接近压力面正常的工作压力并基本维持不变， 其 前缘附近的吸力侧， 流体相对速度较高， 基本上是整个动叶 叶栅流道速度最高的位置， 因此压力迅速降低。对于 R 5和 R 7这两个叶片， 其前缘处于速度相对较低的位置， 主流特有 的高速低压区扫过了吸力侧前部A的位置， 使得此处压力偏 低 。 图 8 喷嘴 Ⅲ区及附近的动 叶流动矢量 图9给出了喷嘴 Ⅲ区的中部动叶压力分布， 由图所示， R 2 2和 R 2 3这两个 叶片 ， 位 于喷嘴 Ⅲ周 向的中部位置 ， 不再 受到喷嘴边界复杂流动影响， 其压力分布也体现了出现在 R 4、 R 5 和 R 6 、 R 7 这两对叶栅上 的压力分 布特 点， 与 由于 较大的攻角 引起 的前缘压力波动不同 ， 没有出现“ 。 口 ” 形状 的 压力分布特点。从上面的分析可以看出， 超音速汽流经过静 叶叶栅流道后， 出现了尾迹低速区， 主流低压区， 是引起动叶 流动参数不稳定 的主要因素 ， 动叶周 期性地扫 过这些位 置 ， 一 R 出 图9 喷嘴Ⅲ区的中部 动叶压力分布 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽轮机技术 第 5 2卷 形成了叶轮机械内特有的非定常流动现象。 图 1 0给出了各个喷嘴区域周向中部位置对应的动叶压 力分布， 第一级的动叶叶片 R 2 3对应于喷嘴区域Ⅲ的周向中 部位置， R 5 9对应于喷嘴区域 Ⅱ的周向中部位置， R 8 6对应 于喷嘴区域 I 的周 向中部位置 ， 这 3个 叶片远离喷嘴周 向边 界 ， 不受喷嘴边界壁面及流道畸变的影响。从压力分布特点 来看， 这 3个叶片都切分了静叶高速低压区域内的流体 ， 在 前缘相对滞止点叶片 的压 力最 高， 滞 止点稍后 的地方 ， 吸力 侧由于接触的是高速低压流体而使其压力迅速降低。R 2 3 和 R 5 9所对应的喷嘴区域 Ⅲ、 Ⅱ采用 的是相 同的静 叶叶型 ， 在设计工况 ， 流动 的入 口条件 相 同， 因此这 两个 叶片的压力 分布基本一致。对于 R 8 6 ， 该叶片位于喷嘴 I区， 其静叶与 Ⅱ， Ⅲ区域的有差别， 尽管动叶仍然是相同的， 压力分布却发 生了变化。由于喷嘴区域 I的静叶出口喉部尺寸最小 ， 因 此 ， 与Ⅱ区和Ⅲ区相比较， 在相同的压差作用下，I区出口斜 切部分的过膨胀效应更强一些 ， 出口速度要稍高一些， 则该 区域对应的压力更低一些， 同时 I区静叶的出口气流角也偏 小。静 叶出口角度减 小 ， 出 口速度增 加 ， 会 具有增 大动 叶流 动相对正攻角的趋势。 一 图 1 0各个喷嘴 区域周向中部位置对应的动叶压力分布 总体上看， 处于 I区的动叶， 周围环境的压力偏低， 因而 叶片上的压力无论是在吸力面还是在压力面均低于 Ⅱ区和 Ⅲ区动叶片上的压力 ； 流体所具有 的向相对 正攻角方 向偏转 的趋势使 R 8 6这一叶片吸力侧前缘附近的压力降得更低。 3 结论 本文采用数值模拟的手段， 对采用半寇蒂斯级设计思想 的汽轮机复速级流场进行全周数值模拟研究 ， 得出如下结 论 1 喷嘴组周 向边 界壁面对 叶栅流动具有 较大影 响 ， 并 且喷嘴叶片不同型线对应的边界畸变对流动影响的敏感度 不 同。 2 动叶片逐 渐进 入喷嘴 区域 ， 受 到喷嘴高速 喷出 的汽 流的冲击作用， 在接触高速汽流后的2 3个动叶节距内， 动 叶片的叶片负荷基本达到正常工作的载荷状态。 3 超音速汽流经过静 叶叶栅流道后 ， 出现 了尾迹低 速 区 ， 主流低压 区， 这是 引起动叶流动参数 不稳 定的主要 因素 ， 从而形成了叶栅内特有的非定常流动现象。 4 喷嘴区域 I的静叶出口喉部尺寸小， 出口斜切部分 的过膨胀效应更强， 导致静叶出口汽流速度高， 明显降低了 通过此区域的第一级动叶表面静压。 参 考 文 献 [ 1 ] L i e u t e n a r t O r mo 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 ． m e r i e a n S o c i e t y f o r Na v al E n g i n e e r s ， 2 0 0 9 ， 2 3 2 3 1 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 76 2 1 ． [ 3 ] E n s i g n P a u l E ．D e s c r i p t i o n a n d T e s t of2 7一i n c h C u rt i s T u r b i n e f o r 5 0一F o o t U ． S ． N a v y C u t t e r [ J ] ．J o u r n a l o f t h e A m e ri c an S o c i e t y fo rN a v a l E n gin e e rs， 2 0 0 9， 1 9 9 2 7 9 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 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