低压涡轮低雷诺数条件下气动性能分析-.pdf

第 5 3卷 第 5期 2 0 1 1年 1 0月 汽轮机技术 TURBI NE TECHNOL OGY Vo l _ 5 3 No ． 5 0c t ． 2 0 1 1 低压涡轮低雷诺数条件下气动性能分析 王松涛， 刘 勋， 周 逊 ， 冯 国泰， 王仲奇 哈 尔滨工业大学发动机 气体动力研 究中心， 哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要 对某型航空发动机低压涡轮末级进行了数值计算， 对比分析了不同雷诺数条件下该级涡轮的气动性能。通 过计算分析低雷诺数条件对压力场和损失系数的影响， 可以看出， 与高雷诺数条件相比， 在低雷诺数条件下， 低压 涡轮效率明显降低 ， 损失增大， 扩压段增加 ， 横向压力梯度增加， 附面层增厚。雷诺数的降低 ， 导致黏性力增加 ， 在 静叶片吸力面出现分离区， 而且随着雷诺数的降低 ， 分离区加大。 关键词 低 雷诺数 ； 涡轮 ； 数值模拟 ； 气 动性能 分类号 T K 4 7 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 - 5 8 8 4 2 0 1 1 0 5 - 0 3 2 4 - 0 4 Ae r o d y n a mi c P e rfo r ma n c e An a l y s i s o f L o w P r e s s u r e T u r b i n e a t L o w Re y n o l d s N u mb e r s WANG S o n g ． t a 0 ， L I U X u n， Z HOU X u n， F E NG G u o ． t a i ． WANG Z h o n g ． q i E n g i n e A e r o d y n a m i c s R e s e a r c h C e n t e r ， 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 i s p a p e r c a l c u l a t e d t h e l a s t s t a g e o f a l o w p r e s s u r e t u r b i n e a n d c o mp a r e d a n d a n a l y z e d t h e a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e a t d i f f e r e n t Re y n o l d s Nu mb e m．B y c a l c u l a t i n g a n d a n a l y z i n g t h e i mp a c t o f l o w R e y n o l d s n u mb e r s f o r p r e s s u r e fi e l d a n d l o s s c o e ffi c i e n t s ， c o mp a r e d wi t h t h a t a t h i g h Re y n o l d s n u mb e r s ， w e c an s e e t h a t a t l o w Re y n o l d s n u mb e r s ， e f f i c i e n c y o f l o w p r e s s u r e t u r b i n e d e c r e a s e s s i g n i fi c an t l y；l o s s e s i n c r e a s e s ；d i f f u s e r s e c t i o n i n c r e a s e s ；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 i n c r e a s e s ；b o u n d a r y l a y e r i n c r a s s a t e s ． As t h e r e d u c t i o n o f Re y n o l d s n u mb e r ， v i s c o u s f o r c e i n c r e a s e s ， wi t h t h e e me r g e n c e o f s e p a r a t i o n r e g i o n a t t h e s u c t i o n s i d e o f t h e s t a t o r ， a n d t h e s e p a r a t i o n r e g i o n e x p a n d s w i t h t h e Re y n o l d s n u mb e r de c r e a s i n g． Ke y wo r d s l o w Re y n o l d s n u mb e r ； t u r b i ne ； n u me c M s i mu l a t i o n； a e r o d y n a mi c p e rfo r ma n c e 者 ” 对如何控制低压涡轮的分离流动进行了二维计算 ， 0 前 言 计算结果和实验结果吻合的很 好。 显然， 当低压涡轮在低雷诺数条件下工作时， 内部流场 在低雷诺数条件影响下 ， 高空飞行时的航空发动机高、 与高雷诺数条件下的流场不同。为了更加系统 的研究低雷 低压涡轮工作雷诺数急剧下降， 效率明显降低 。低雷诺数 诺数条件对于低压涡轮的影响， 本文对某型航空发动机末级 效应会引起发动机相关部件的效率、 流通能力等参数 的变 叶片在多个不同雷诺数条件下进行计算， 对比同一个叶型参 化 。文献[ 3 ] 的研究工作表明， 涡轮效率随雷诺数变化的 数在从高到低不同雷诺数量级下的气动性能。对比分析低 趋势并不是线性的 在雷诺数大于 1 X 1 0 时， 效率随雷诺数 雷诺数条件对低压涡轮气动性能的影响。 降低而降低的趋势较缓慢 ； 但是雷诺数在 1 0 量级时， 雷诺 数的降低将导致涡轮效率急剧下降。文献[ 4 ] 的研究表明， l 计算方法与不同计算方案 低压涡轮总损失与叶型损失趋势相同， 随着雷诺数降低， 尾 迹区域变宽， 尾迹损失 比较大。高空低雷诺数条件下， 二次 对于某型航空发动机末级叶片原型， 计算网格采用 H一 流的影响明显增强， 二次流损失， 低雷诺数情况下， 端部二次0一 H型网格 ， 网格节点 3 5万个 ； 计算采用了 S p a l a r t al l m a 一 流与吸力面边界层的相互作用增强 ， 直接影响端部吸力面边 r a s 湍流模型， 差分格式为二阶迎风格式。计算使用 N u m e c a 界层的发展 5 - 6 ] 。J o h a n等学者 认为， 进 E l 边界层 的厚度 软件 ， 通过计算， 得到该级叶片出口工况雷诺数为3 ． 81 0 。 对二次流的位置和大小， 都有一定影响。文献[ 8 ] 认为， 低雷 计算低雷诺数条件时， 进 口气动参数按照低压涡轮 5级联合 诺数条件下， 涡轮叶栅损失增大的主要原因是涡轮叶栅吸力 计算的结果给出静叶进 口条件 ， 进 口总压为 8 X 1 0 P a ， 进 口 面后部流动产生了分离。I ．P o p o v i c等学者 认为， 在雷诺 总温 8 0 0 K， 出口中径处背压为5 ． 3 X 1 0 P a 。 数下降到 5 X 1 0 以下时， 会开始出现分离气泡。B o n s 等学 本文对该级叶片在多个不同雷诺数条件下进行了计算， 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 3 - 0 8 基金项 目 AP T D 航 空推进技术验证计划 某咨询项 目。 作者简介 王松涛 1 9 7 1 ． ， 男， 教授 ， 博士生导师。研究方向 主要从事叶轮机械流场实验研究与数值仿真工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 王松涛等 低压涡轮低雷诺数条件下气动性能分析 3 2 5 出口雷诺数的定义基于叶片排出口的气动参数和叶片中径 处的轴向弦长。通过改变出口背压P ， 从而达到改变雷诺数 的目的。由于Ma l厂 P ／ p ， 为了保持多工况的相似性 ， 在 改变出口背压的同时改变进口总压 ， 改变进口总压的倍数和 改变出口背压的倍数相同， 维持P ／ p 为常数， 这样达到了改 变雷诺数和维持马赫数基本不变的目的。叶型不变， 涡轮转 速 n和进 口温度 不变 ， ∥ 不变， 所以这些不同雷 诺数工况的计算是相似的。 对于该级叶片， 分别在不同出口背压条件下进行计算 ， 采用相同的计算方法， 得出了3 ． 81 0 、 8 ． 11 0 、 1 ． 21 0 ’ 、 2 ． 01 0 、 4 ． 01 0 、 2 ． 01 0 、 4 ． 01 0 。等 7组不同雷诺数 条件下该级涡轮的气动性能。 2 雷诺数改变对低压涡轮气动性能的影响 2 ． 1 总体参数对 比 图 1为不同雷诺数条件下涡轮效率随雷诺数变化曲线 ， 图2为流量变化曲线， 图3为 G ／ p o随雷诺数变化曲线。 图 1 涡轮效率 随雷诺数 变化曲线 由图 1 可以看出， 随着雷诺数上升， 涡轮效率上升， 在低 雷诺数条件下 ， 效率上升幅度很大， 但在雷诺数高于 1 0 之 后， 效率随雷诺数升高上升趋于平缓 ； 反动度随雷诺数变化 不大。由图2可以看出， 流量 随雷诺数增大而增大， 由图 3 可以看出， 由于 G ／ p o K F q ／ r o ， 不变， 则 G ／ p o随雷 诺数变化基本没有变化。 2 ． 2 对压 力场的影响 静叶片表面静压分布系数定义如式 1 ， 动叶片表面静 一0． 1 ．0． 2 0． 3 ．O． 4 O 0． 2 0． 4 0． 6 0． 8 1 ． 0 Xl B 口 1 0 ％ 叶高 图 2 流量 随雷诺数 变化 曲线 图 3 随雷诺数变化 曲线 压分布系数定义如式 2 ， 其 中 p o为叶片进 口总压， 为 动叶片进口相对总压， p为叶片表面静压。 1 p 0 2 P 1 图4 、 图5为不同雷诺数条件下静叶片和动叶片表面静 压分布图， 其中包括1 0 ％叶高、 5 0 ％叶高和9 0 ％叶高的表面 静压。由图可以看出， 在低雷诺数条件下 ， 由于附面层增厚 ， 流动抗分离能力被削弱 ， 导致扩压段较长， 扩压区增大， 最低 压力点升高， 附面层损失增大。静叶片存在较大的正攻角， 动叶根部存在正攻角。 2 ． 3 损失 系数 静叶片能量损失系数定义如式 3 ， 其中 p 为静叶出 口静压， p 为静叶出口总压， 为静叶进口总压。 XI B 6 】 5 0 ％ 叶高 图 4 不同雷诺数条件下静叶片表面静压分布 9 0 ％叶高 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 6 汽轮机技术 第 5 3卷 x| B 口 1 0 ％ 叶高 0 0 0． 2 0 ． 4 0． 6 0． 8 1． 0 X／ B 6 5 0 ％ 叶高 不同雷诺数条件下 动叶片表 面静压分布 3 图 6为不同雷诺数下， 静叶能量损失系数沿叶高分布 图。可以看出， 随着雷诺数的降低， 静叶能量损失系数升高。 同时， 由能量损失系数沿叶高分布来看， 静叶片根部损失系 数较大， 顶部损失系数较小， 静叶片能量损失系数沿叶高逐 渐降低， 不同雷诺数条件下能量损失系数沿叶高分布的情况 基本相 同。 图6 不同雷诺数下静叶出 口节距平 均能量损 失系数 动叶能量损失系数定义如式 4 ， 其中 p 为动叶出口 静压 ， P w 2 为动 叶出口相 对总压 ， 为动叶进 口相对 总压 。 ， 盖 [ 一 告 ] 4 O -O 1 0 ． 2 0． 3 0． 4 0 0． 2 0 ． 4 0． 6 0． 8 1． 0 x| B c 】 9 0 ％叶高 图 7为不同雷诺数下， 动叶能量损失系数沿叶高分布 图。可以看出， 随着雷诺数的降低， 动叶能量损失系数升高。 同时， 由能量损失系数沿叶高分布来看 ， 动叶片根部损失系 数较大， 顶部损失系数较小。但是在2 0 ％到3 0 ％叶高处 ， 有 一 处明显的损失增大区域。总体看来， 不同雷诺数条件下， 动叶片能量损失沿叶高分布趋势基本相同。在叶片顶部， 高 雷诺数条件下， 能量损失系数会为负值。这是由于有部分低 能流体在离心力的作用下， 发生了径向串流。 图 7 不 同雷诺数下动叶 出口节距平均能量损失系数 图8为不同雷诺数条件下吸力面和根部极限流线局部 放大， 可以看出， 低雷诺数条件下， 吸力面存在明显的分离流 动 ， 分离区较宽， 随着雷诺数升高， 分离区减小 ， 在雷诺数为 1 0 时， 吸力面分离区已经非常小， 吸力面分离基本消失。这 是由于低雷诺数条件下， 黏性损失较大， 导致吸力面分离区 增 大。 图9为静叶片中径流线尾部放大图， 在低雷诺数条件 下 ， 分离看的很明显， 随着雷诺数的升高， 分离区减小直至消 Re 3 ． 8 x 1 0 Re 8 ． 1 x 1 0 c Re 1 ．2 x 1 0 图 8不同雷诺数条 件下 吸力面和根部极 限流线局部放大 1 2 3 4 5 0 O 0 0 0 图 一 告 一二 _ 、 ／，-I＼ 一 一 一 一 一 ，． ． ． 、 一 r● ●● L一 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