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第 5 5卷 第 5 期 2 0 1 3年 1 0月 汽轮机技术 TURBI NE TECHNOLOGY Vo 1 ． 5 5 No ． 5 0c t ． 2 01 3 叶顶间隙对某型压气机典型级气动性能的影响 张成义 ， 张宏涛 ， 冯永志 ， 李长宝 1 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司， 哈尔滨 1 5 0 0 4 6 ； 2哈电集团重型装备有限公司， 秦皇岛0 6 6 0 0 0 摘要 以某 F级燃气轮机的轴流压气机的3级典型级为研究对象， 采用全三维数值模拟方法分析了3种叶顶间隙 情况下压气机的内部流动。数值研究结果表明 叶顶间隙大小对压气机的性能影响比较显著 ， 随着间隙的增加， 压 气机的压比、 效率等性能明显下降； 同时， 由于叶顶间隙内泄漏涡的扰动， 对机匣壁面、 叶顶附近叶片表面的静压分 布有较大的影响。 关键词 叶顶间隙； 轴流压气机； 数值模拟； 气动性能 分类号 T K 4 7 4 ． 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 - 5 8 8 4 2 0 1 3 0 5 - 0 3 5 9 - 0 2 E f f e c t o f T i p C l e a r a n c e o n Ae r o d y n a mi c P e r f o r ma n c e o f Re p r e s e n t a t i v e S t a g e s i n a C o mp r e s s o r Z HANG C h e n g y i ， Z HANG Ho n g t a 0 ， F E NG Yo n g z h i ， L I C h a n g b a o 1 H a r b i n T u r b i n e C o mp a n y L i mi t e d ， H a r b i n 1 5 0 0 4 6 ， C h i n a ； 2 H a r b i n E l e c t r i c C o r p o r a t i o n H e a v y E q u i p m e n t C o m p a n y L i mi t e d ， Q i n g h u a n g d a o 0 6 6 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e i n t e r n a l fl o w fi e l d s o f t h r e e r e p r e s e n t a t i v e s t a g e s o f a F c l a s s g a s t u r b i n e a x i al fl o w c o mp r e s s o r w a s n u me r i c all y s i mu l a t e d w i t h t h r e e d i me n s i o n al CF D u n d e r t h r e e d i ff e r e n t t i p c l e a r a n c e s i z e ．T h e r e s u l t s o f n u me ri c al a n a l y s i s s h o w t h a t w i t h t h e i n c r e a s e o f t i p c l e ara n c e s i z e， t h e p e rfo r ma n c e o f t h r e e s t a g e c o mp r e s s o r c h a n g e o b v i o u s l y， t h e p e rf o rm a n c e p ara me t e r s s u c h a s e ffic i e n c y， p r e s s u r e r a t i o t e n d e d t o d e c r e ase o b v i o u s l y ；Me a n w h i l e ， t h e d i s t ri b u t i o n o f s t a t i c p r e s s u r e o n s u rfa c e o f t h e c o mp r e s s o r c a s i n g a n d t h e b l a d e s u rf a c e n e a r t h e t i p b e c a u s e o f t h e e x i s t e n c e o f l e a k a g e v o r t e x ． Ke y wo r d s t i p c l e ar a n c e ；a x i a l c o mpr e s s o r；n u me r i c a l s i mu l a t i o n；a e r o d y n a mi c p e r f o r m a n c e O 前言 叶顶间隙流动作为轴流压气机中二次流动的一个现象， 是压气机内的重要流动特征之一， 叶顶间隙流动主要受到几 个因素的影响 一是叶片吸力面和压力面之间的压力差导致 由压力面向吸力面的泄漏流动， 对叶片负荷的径向分布产生 一 定的影响； 二是流体黏性的影响； 三是叶顶与机匣间相对 运动对叶顶的影响； 四是叶顶间隙尺寸的影响。这几个因素 相互作用所产生的叶顶间隙流动对轴流压气机的气动性能 和压气机的稳定性都有很大的影响。因此 ， 在压气机的设计 过程中， 了解叶顶间隙流动特征， 并考虑叶顶间隙泄漏对压 气机的影响是非常重要的。 对于叶顶间隙泄漏流动的研究已有半个多世纪的历史， 国内外有许多专家学者致力于叶顶间隙流动领域的研究工 作 ， 并通过相关的理论研究及试验研究获得了一定的成果。 Y a ma d a K， F u mk a w a M L 1 等人研究了跨音级压气机叶尖间隙 流动的泄漏涡， 指出泄漏涡在近失速工况下会发生破碎， 在 通道中产生阻塞效应 ， 进而造成旋转失速； B o r i s t a v T ， C h o o n S _ 2 等人研究了前排导叶尾迹对叶顶间隙泄漏流动的影响， 流动特征发生变化， 导致损失和阻塞减少 ， 压升比增加； 高学 林 ， 袁新 等人对某多级轴流压气机进行了间隙流动的数 值模拟 ， 进行了定常及非定常计算， 研究 了间隙流动对压气 机整体性能的影响； 吴艳辉 ， 楚武利 lo 等人研究了叶顶间隙 的流动结构 ， 泄漏随压气机工况点变化的发展规律， 以及 由 此引起的主流道气动性能变化情况。 本文以某型燃气轮机的轴流压气机的 3级典型级为研 究对象 ， 通过数值计算， 分析不同间隙大小情况下的叶顶间 隙区域的流动特征， 研究间隙大小对压气机气动性能的影响 规律。 1 计算方法和网格模型 本文数值计算所使用的程序为 N U ME C A公司开发的 F I N E ／ T U R B O流场求解器。叶栅流道空间离散网格使用前 处理模块 I G G ／ A u t o G r i d 5生成， 叶栅流道采用 O型结构化网 格 ， 进出口延长段采用 H型结构化 网格， 径 向网格节点为 8 9 。控制靠近壁面的网格加密， 壁面第一层网格满足 Y 3 ， N S方程求解器采用 F I N E 模块， 对叶栅三维定常流场 进行模拟。湍流模型采用 S p a l a r t A l l m a r a s 一方程模型， 动 收 稿 日期 2 0 1 3 - 0 3 1 8 基 金项 目 国家 8 6 3计划重 型燃气轮机重 大项 目资助 项 目编号 2 0 0 8 A A 0 5 A 3 0 2 。 作 者简 介 张成义 1 9 8 3一 ， 男 ， 内蒙古呼伦贝尔市人 ， 工程师 ， 研究方 向为压气机 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 7 2 汽轮机技术 第 5 5卷 廿 鹾 】 {卜 回 管径增加值／ ram 图9 初投资增加值回收年限随管径增加值的变化 6 I D左右。考虑到现场布置及制作等因素 ， 一般将弯头改为 3 I D弯管。 2 增加管径， 降阻效应明显 ， 但需同时考虑管材价格和 动力煤价之间的影响。采用 3 I D弯管替代三大管道所有 弯头， 并 增加 再热 冷段 管径 7 0 m m， 可使热 耗下 降4 ． 6 0 5 k J ／ k W h ， 煤耗下降0 ． 1 7 0 g ／ k W h ， 在年利用小时数 取5 2 9 4 h下， 每年节煤 9 0 3 t ， 增加管材初投资1 8 ． 4 4 万元 ， 假 设煤价 6 0 0 t ， 则回收年限为tO ． 3 4 年。 综上所述 ， 采用弯管替换弯头 ， 增加再热冷段直径的方 法减小管道压损是经济可行的。 参 考 文 献 [ 1 ] 杨 文虎， 冯伟忠 ， 俞兴超 ．超超 l临界机组 再热蒸汽 系统压降 的 优化及成效分析 [ J ]．华东电力 ， 2 0 1 0， 3 8 8 1 2 4 81 2 5 0 ． [ 2 ] 冯伟忠．1 0 0 0 MW 超超临界机组 的综合优化及成效[ J ]．电力 建设 ， 2 0 0 9 ， 3 0 5 4 2 4 6 ． [ 3 ] 冯伟忠．1 0 0 0 MW 超超临界机组的综合优化和技术创新 [ J ]． 上海电力 ， 2 0 0 7， 5 4 4 1 4 4 5 ． [ 4 ] 杨俊波 ， 胡训栋 ， 周广杰．1 0 0 0 MW 级 超超l 临界火 电厂再热 蒸 汽系统管道规格 的优化 [ J ]．电站系统 工程 ， 2 0 1 1 ， 2 7 6 2 6 2 8． [ 5 ] 孔珑． 工程流体力学[ M] ． 北京 中国电力出版社， 1 9 7 9 ． 9 5 1 2 5． [ 6 ] D L／ T 5 0 5 4 1 9 9 6 ， 火力发 电厂汽水管道设计技术 规定 [ s ] ． 北京 中国电力出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 7 ] 张洪元 ， 吕道华 ， 闫平 ， 等 ．火电厂四大管道 系统 弯管弯头设 计对 比分析 [ J ]．华电技术 ， 2 0 0 9， 3 1 1 O 2 73 3 ． [ 8 ] 吴斌 ， 江蛟 ， 宋 坤林．华 能巢 湖电厂 四大 管道 优化设 计 [ J ] ．电力建设 ， 2 0 1 0， 3 1 2 8 68 9 ． [ 9] 中电联规划与统计信息部．2 0 1 1年 电力工 业统计基 本数据一 览 表[ D B ／ O L] ．北 京 中 国 电力 企 业 联 合 会 ， 2 0 1 2 ． h t t p ／ ／ w w w ． a c e ． o r g ． c n ／ g I l i h u a y u t n n 西i ／ t 0 n x i n x i ／ n i a n d u s h u j u ／ 2 0 1 3 0 41 9 ／1 0 0 5 8 9 ． h t Jm1 ． ． [ 1 0] 电力规划设计 总院．火 电工程 限额设 计参考造 价指标 [ M] ． 北京 中国电力 出版社 ， 2 0 1 0 ． 2 4 5 246 ． 上接第 3 6 0页 2 ． 3 叶片表 面静 压分 布 叶顶泄漏涡是由于叶片近叶顶区域的压力面与吸力面 的压力差造成的， 为观察叶片表面的压力变化， 图 6给出了 第 8级动叶在9 9 ％叶高处叶片表面的静压分布。可 以看出， 叶顶间隙对叶顶附近叶片压力面的静压分布的影响较大， 在 2 5 ％轴向弦长位置下游 ， 随着叶顶间隙的增加， 叶片压力面 的静压减小， 这是由于间隙增大， 叶片近压力面被泄漏涡扰 乱所造成的， 间隙越大， 扰动越强； 在4 5 ％轴向弦长位置下 游， 随着叶顶间隙的增加， 叶顶泄漏流对吸力面的扰动略有 增强。叶顶泄漏涡对压力面和吸力面都有扰动， 尤其对压力 面的扰动更为明显。 I - - 0 ． 5 倍间} } L - - 1 ． 0 倍 闻 I 宦 -- 1．5 倍 间 I 髑 ⋯． 正_ | _ e 一 - 、 i j ． 1 ● 0 0． 2 0 ． 4 0． 6 0． 8 1 ． 0 相对 弦长 图 6 9 9 ％叶高截面叶片表面静压分布 3 结论 本文采用C F D 技术对某重型燃机压气机典型级的3 种 不同叶顶间隙的情况进行了数值计算及分析， 结论如下 1 叶顶间隙造成了流动损失， 随着叶顶间隙的增加， 压 气机的效率、 流量、 压比等各性能参数均呈现下降趋势。 2 随着叶顶间隙的增大， 间隙内漩涡流动加强， 对机匣 壁面的静压分布的影响愈加明显， 叶片顶部区域的流场性能 恶化。 3 叶顶泄漏流动主要是由于叶片近叶顶区域的压力面 与吸力面的压力差造成的， 随着叶顶间隙的增大， 叶顶泄漏 流动对叶顶附近流场的扰动增强， 对压力面的静压分布影响 更大 。 参 考 文 献 [ 1 ] Ya ma d a K， F u mk a w a M， N a k a n o K．U n s t e a d y T h r e e d i me n s i o n a l F l o w P h e n o me n a Du e t o B r e a k d o wn o f Ti p L e a k a g e Vo r t e x i n a T r a n s o n i c A x i a l C o m p r e s s o r R o t o r [ D] ．A S ME P a p e r ， 2 0 0 4一G T 一 5 3 7 4 5， 2 0 0 4 ． [ 2 ] B o r i s t a v T， C h o o n S ， T a n ．E f f e c t o f U p s tr e a m U n s t e a d y fl o w C o n d i t i o n s o n R o t o r T i p L e a k age F l o w[ D] ．A S ME P a p e r ， 2 0 0 5一G T 一 0 3 5 8， 2 0 0 5． [ 3 ] 高学林 ， 袁新．多级轴流压气机间隙流动数值模拟[ J ] ．工 程热物理学报 ， 2 0 0 6， 2 7 3 3 9 53 9 8 ． [ 4 ] 王祥锋 ， 王松 涛， 韩万 金．叶顶间隙变 化对多级压 气机性 能影 响的数值 研 究 [ J ] ．科 学技 术 与工 程 ， 2 0 0 9， 9 1 2 3 4 8 3 3 4 8 6 ． [ 5 ] 吴艳辉 ， 楚 武利， 卢新 根．间隙 区域 的流动结构对 压气机气 动 性能的影响[ J ] ．工程热物理学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 6 9 5 09 5 2 ． [ 6 ] 吴艳辉 ， 楚 武利， 张燕 峰．间隙大小对 压气机转 子间隙泄 漏流 场的影响[ J ] ．西北工业 大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 5 6 8 3 88 4 2 ． 9 8 7 6 5 0 0 0 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m