高负荷跨音压气机弯叶片的气动性能研究-.pdf

第 4 4卷第 2期 2 0 1 5年 6月 热 力 透 平 THERMAL TURBI NE Vo l _ 4 4 No． 2 J u n ． 2 O 1 5 文章 编号 1 6 7 2 5 5 4 9 2 0 1 5 0 2 0 0 9 8 0 4 高负荷跨音压号栅 弯叶片晌号动胜雒砥 穷 俞松林， 赵连会 ， 何磊 上海电气电站技术研究与发展中心， 上海 2 0 1 6 1 2 摘要 通过商用计算流体软件对采用不同叶片弯曲形式设计的跨音压气机动叶进行 了数值模拟 ， 分析 了叶 片弯曲形式和弯曲角度对压气机效率的影响。详细讨论了在设计点弯设计对跨音压气机性能的影响， 包括流 动结构、 负荷径向分布以及效率等。结果表明 2 O 。 正弯设计将动叶设计点效率提高了0 ． 4 2个百分点， 正弯设 计可以改善负荷的径向分布并抑制端壁角隅失速。 关键词正弯； 反弯； 跨音压气机； 等熵效率 中图分类号 T K4 7 4 ． 8 文献标识码 A d o i 1 0 ． 1 3 7 0 7 ／ j ． c n k i ． 3 1 1 9 2 2 ／ t h ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 0 5 I n v e s t i g a t i o n o f t h e Ae r o dy na m i c Pe r f o r ma n c e o f Hi g hl y Lo a d e d Bo we d Tr a n s o ni c Co mpr e s s o r Ro t o r s yU S o n g l i n。ZHA0 Li a n h u i ，HE Le i Sh a n g h a i E l e c t r ic P o we r Ge n e r a t i o n RD C e n t e r ，Sh a n g h a i 2 0 1 6 1 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t Nu me r i c a l s i mu l a t i o n wa s p e r f o r me d o n h i g h l y l o a d e d t r a n s o n i c c o mp r e s s o r r o t o r s wi t h a n d wi t h o u t d i h e d r a l b l a d i n g r e s p e c t i v e l y u s i n g c o mme r c i a l CFD s o f t wa r e ，a n d t h e e f f e c t o f d i f f e r e n t c o mb i n a t i o n s o f d i h e d r a l f o r m a n d a n g l e o n t h e a d i a b a t i c e f f i c i e n c y wa s a n a l y z e d ． Th e i n f l u e n c e o f d i h e d r a l o n t h e p e r f o r ma n c e o f t h e t r a n s o n i c c o mp r e s s o r r o t o r a t d e s i g n p o i n t wa s d i s c u s s e d i n d e t a i l ，i n c l u d i n g f l o w s t r u c t u r e ， r a d i a 1 d i s t r i b u t i o n o f l o a d i n g a n d e f f i c i e n c y e t c ． Re s u l t s s h o w t h a t t h e a d i a b a t i c e f f i c i e n c y o f 2 0 d e g r e e d i h e d r a l r o t o r i s i n c r e a s e d b y 0 ． 4 2 p e r c e n t a t d e s i g n c o n d i t i o n ，a n d p o s i t i v e d i h e d r a l c a n i mp r o v e t h e r a d i a l d i s t r i b u t i o n o f l o a d i n g a n d s u p p r e s s t h e h u b c o r n e r s t a l 1 ． Ke y wo r d s p o s i t i v e d i h e d r a l ；n e g a t i v e d i h e d r a l ；t r a n s o n i c c o mp r e s s o r ；i s e n t r o p i c e f f i c i e n c y 现代压气机正朝着更大流量 ， 更高压 比和效 率的方向发展 ， 而跨音压气机在重型燃气轮机设 计 中被广泛采用 。近年来 ， 学者们针对 三维叶片 造型对跨音压气 机性能 的影 响进行 了大量 的研 究 ， 三维积叠线 的使用被认 为可进一步提升压气 机的性能。 Ga l l i mo r e l_ 1 将三 维 叶片设 计 引入 压 气 机 ， 研究发现 正 弯 叶 片可 以减小 角 隅 失速 和 叶 尖 损失 ， 但 会 以增 加 叶 片 中间 区域 的损 失 为 代 价 。Gu e mme r _ 2 ] 针 对 高 负 荷 跨 音 压 气 机 静 叶 采用 弯掠设计 ， 发现 掠可 以控制 叶 片轴 向负荷 的分布 ， 某 种 程 度 上 也 会 影 响 径 向负 荷 的分 布 ； 弯主要 会影 响 径 向压力 场 。De n t o n lL 3 ] 通 过 数值模拟研究了弯和掠对跨音风扇性能 的影 响 ， 发现 三 维 特 征 对 叶尖 的 激 波 形 态 影 响 很 小 。叶片 的激波 损失会 减 小 ， 但是 以减 小 喘振 裕度 为 代 价 。弯 或 掠 对 效 率 的 影 响 很 小 。 S a s a k i E 4 ] 发现前掠 和正 弯 叶片会 比直 叶片 的效 率更 高 ， 前 者 减 小 了角 隅 失 速 ， 后 者 端 壁 处 的 负荷 减小而叶 中的负荷增 加 ； 也 发现 了角隅 失 速 以及二次 流 的减小 。一 些学 者l 5 ] 对 轴流 压 气机动叶和静 叶的 叶型进行 了优 化 ， 设 计变 量 包括掠 、 弯和扭 。这些设 计变 量 的优化 组合 可 以提高 叶片的气动性能 。 本文针对某高负荷跨音压气机动 叶， 研究了 正弯和反弯两种弯曲形式以及不同的弯曲角度对 压气机效率及性能的影响。 收稿 日期 2 0 1 4 1 1 0 3 修订 日期 2 0 1 5 0 4 2 7 基金项 目 上海市科学技术委员会资助项目 1 2 D J 1 4 0 0 7 0 0 作者简 介 俞松林 1 9 8 6 一 ， 男 ， 毕业 于上海交 通大学 ， 硕 士研究生 ， 工程师 ， 现从事压气机气动设计和分析工作。 啊一I 荔 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高负荷跨音压气机弯叶片的气动性能研究 热力透平 1 研究方法 1 ． 1 弯叶片的定义 三维积叠线的使用成为近年来试验和数值研 究 的对象来源之一 。人们在描述积叠线修正时采 用 了不 同的方式 。本文 中， 弯被用于描述垂直于 弦线的偏移量 ， 如图 1 a 所示 。如果叶型朝着 吸 力面方 向移动 ， 弯角被认为是正 的， 反之为负。 积叠线的定义如图 1 b 所示 ， 这里我们选择 H 值为叶片高度 的 1 ／ 6 ， a 是弯角。 7 ／ 积叠线 ＼ ＼ ～．，，／ 、 ‘ ＼ 弯 曲积叠线 叶根 a b 图 1 弯的定义 1 ． 2 弯叶片的物理意义 叶轮机械中气流的完全径向平衡方程如下所 示 d P 一 c o s s i na Fr 1 P Q r r r Q 方程右边第一项代表与周向流动相关的向心 力 ； 第二项表示气流以子午速度 沿弯 曲流线运 动时产生的向心加速度在 r方 向的分量 。如果流 线是下凸的， 那么它所产生 的力将会抵消一部分 厂1 2 由于 k J． u 所产 生的压力梯度 ； 如果 流线是上 凸的 话 ， 将会增加径向压力梯度 ； 第三项代表 了气流质 点沿流线切线方 向不等速运动时所产生的质量力 ， 一 、 2 在径向的分量 ， 该项 同样有减弱或加强 作用的 ， 影响。最后一项是叶片对流体的作用力 。对于大 多数设计 ， 假设 足够大 ， 并且 足够小 ， 这样方 程右边第二和第三项可以被忽略。 在压气机中采用弯主要是为了在完全径 向平 衡方程中增加叶片对气流径向的作用力 ， 从 而改 变压力的径向分布。这不仅能改善压力梯度的分 布 ， 同时也能将叶片两端 的边界层 中的低能流体 驱至主流区， 避免端部边界层的堆积和分离， 降低 端部损失 。 1 ． 3 数值方法 本 次 研 究 采 用 数 值 流 体 计 算 软 件 NUME C A。采用有 限体积法求解 圆柱坐标系下 的纳维一 斯托克斯方程组 ， 方程离散时采用 中心差 分格式 ， 时间项采用 Ru n g e Ku t t a积分 。湍流模 型为一方程的 S p a l a r t Al l ma r a s 模型。 采用六面体单元生成 网格 ， 网格 拓扑结构为 HOH 型。模拟 时考 虑 了叶顶 间隙， 该处 区域 网 格采用蝶形网格拓扑结构。在设置边界条件时 ， 进 口处给定 总温 ， 总压和进气 角， 出 口处给定静 压 。 1 ． 4 网格无关性验证和收敛历史 针对基 准 叶片采 用 了三套 网格 ， 分别 为 2 1 万 、 5 4 万 、 1 2 0万 ， 计算结果表 明 5 4万 网格数量可 以满足网格无关性要求。 进行了单通道 周期性假设 的稳态模拟 ， 收 敛 的标 准设 为 1 O 一。通 常 一个 工 况 的计 算 在 1 8 0 0 次迭代后会收敛 。 1 ． 5 研究的设计方案 本论文针对不同的正弯 和反弯设计 ， 分别研 究 了正弯情况下 1 0 。 、 1 5 。 、 2 O 。 和 2 5 。 和反弯情况下 2 0 。 的情形 。 考虑到在实际反弯应用较少， 这里仅给出了 一 种反弯角度的设计 。弯叶片的设计方案如表 1 所示 。 表 1 弯叶片设计方案 2 结果和讨论 叶片弯曲形式和角度对动叶效率的影响如表 2 所示 相对于基准动叶， 在设计点时动叶正弯角 度为 1 5 。 、 2 0 。 、 2 5 。 时动叶的等熵效率分别提高了 0 ． 1 2 、 0 ． 4 2 、 0 ． 3 7 个百分点， 1 0 。 正弯动叶的等熵 效率降低 了 0 ． 1 1 个 百分点 ， 2 0 。 反弯动 叶的效率 降低了 0 ． 5 1 个百分点 。 | I II ■啊 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 高负荷跨音压气机弯叶片的气动性能研究 热力透平 艋 a 端壁 艋 相对 弦长 b 叶中 箍 图 4 基准和采用弯设计的动叶设计点静压分布 2 3 总压、 总温和等熵效率的径 向分布 1 ．0 图 5和图 6给 出了总压和总温 的径 向分布 。 与基准动叶相 比， 发现正弯动叶叶中以下区域 的 总压提高， 叶中以上 区域减小 。反弯设计 的结论 则相反。弯对总温分布的影响与总压分布类似。 与基准动叶相比， 正弯动叶叶中以下区域的总温 提高 ， 叶中以上区域减小 。反弯设计的结论相反。 1 ． O O ． 8 惶 0 ．6 莨 0 ． 4 0 ． 2 0 ． 0 1 ．0 O． 8 惶 0 ．6 0．4 O． 2 0．0 相对总压 图 5 弯对设计点出口总压分布的影响 相 对总温 图 6 弯对设计点出口总温分布的影响 图 7 给出了弯对设计点出口等熵效率分布的 影响。弯对等熵效率的径向分布的影响不很明 显， 在叶尖处正弯动叶与其余两种动叶相比仅有 一 些细微的不 同， 前者在该处 区域 的效率略有增 加 。 0． 8 坦 0 ． 5 叶 ， 0．4 0 ． 2 0 ． O c 叶尖 绝热效率 图 7 弯对设计点出口等熵效率分布的影响 2 ． 4 负荷的径向分布 压气机的负荷是进行气动设计 时需要重点关 注的， 负荷与流动密切相关 ， 负荷过大会给气动设 计造成较大难度 。这里我们采用能量头系数来表 征负荷 ， 能量头系数 的定义如下 △ ／z ￡ 。一△C u ／ 2 式 中 △ 表示绝对速度周 向分量的差值 ； U为圆 周速度 。正弯设计 改进 了负荷 的径 向分布， 如 图 8 所示。结果发现正弯动叶靠近气缸和轮毂处的 负荷得到减小， 这对减小角隅失速和叶尖间隙损 失都有利。反弯设计 的情形刚好相反 。 1 ．O O． 8 姬 o ． 6 蒌 o I4 O ． 2 0 ． 0 能量头系数 图8 弯对设计点能量头系数分布的影响 下转第 1 1 3 页 i l lI 田 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