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第 5 6卷 第 1期 2 0 1 4年 2月 汽轮机技术 TURBI NE TECHNOLOGY V0 1 ． 5 6 No ． 1 Fe b ． 2 01 4 马赫数对大焓降动叶气动特性影响的数值研究 石玉文 ， 韩万龙 ， 韩万金 ， 王 磊 1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 ； 2哈尔滨汽轮机厂有限责任公司， 哈尔滨 1 5 0 0 4 6 ； 3哈电集团现代制造服务产业有限责任公司， 哈尔滨 1 5 0 0 4 6 摘要 采用商业软件 C F X， 在相对坐标系内数值模拟了不同出口马赫数下大焓降动叶的气动性能。数值结果表明， 哈汽公司设计的大焓降动叶具有后加载特性， 而且 出口马赫数愈高， 后加载特性愈明显。当动叶出13马赫数由 0 ． 4 7 增加至0 ． 8 1 ， 总压损失系数在7 ． 5 ％至1 4 ． 5 ％之间变化。总的看来， 大焓降动叶的变马赫数性能良好。 关键词 大焓降动叶 ； 低展弦 比 ； 后加载 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 4 0 1 - 0 0 0 1 - 0 5 Nu me r i c a l Re s e a r c h o f Ma c h Nu mb e r E f f e c t s o n Ae r o d y n a mi c P e r f o r ma n c e o f Hi g h l y l o a d e d Ro t o r B l a d e S H I Y u w e n ’ ， H A N Wa n - l o n g ， H A N Wa n - j in ， Wa n g L e i 1 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 ； 2 H a r b i n T u r b i n e C o m p a n y L i m i t e d ， H a r b i n 1 5 0 0 4 6 ， C h i n a ； 3 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 M o d e m M a n u f a c t u r i n g S e r v i c e I n d u s t r y ， H a r b i n 1 5 0 0 4 6 ， C h i n a Ab s t r a c t A e r o d y n a mi c p e rf o r ma n c e o f h i g h l y - l o a d e d r o t o r b l a d e， u n d e r d i f f e r e n t o u t l e t ma c h n u mb e r s ， w a s r e s e a r c h e d i n t h e r e l a t i v e c o o r d i n a t e s b y c o mme r c i a l s o f t wa r e C F X．Nu me r i c a l r e s u l t s s h o w e d t h a t ， t h e l o w a s p e c t r a t i o h i g h l y l o a d e d r o t o r b l a d e d e s i g n e d b y Ha r b i n s t e a m t u r b i n e c o mp a n y ， h a s a f t l o a d e d c h a r a c t e ri s t i c s ， a n d t h e h i g h e r o u t l e t Ma c h n u mb e r ， t h e mo r e o b v i o u s a f t - l o a d e d e f f e c t ．Wh e n r o t o r b l a d e o u t l e t Ma c h n u mb e r c h a n g e s f r o m 0 ． 4 7 t o 0． 8 1， t o t a l p r e s s u r e l o s s c o e f fi c i e n t c h a n g e s b e t w e e n 7 ． 5％ t o 1 4 ． 5 ％ ．I n g e n e r a1． a e r o d y n a mi c p e r f o rm a n c e o f t h e r o t o r b l a d e i s g o o d u n d e r v a r i a b l e Ma c h n u mb e r ． Ke y wo r d s h i g h l y - 1 o a d e d r o t o r；l o w a s p e c t r a t i o；a f t - l o a d e d；n me r i c a l r e s e a r c h 0 前言 大焓降叶片的出现使大功率蒸汽透平减少叶片数与级 数成为可能， 这将显著降低贵重金属材料消耗与加工量， 从 而节省制造成本” 。叶片是透平的核心部件， 其机械加工量 占整机的 1 ／ 3 [ 2 3 。其中动叶片工作环境最严酷， 耗材最昂 贵， 加工精度要求最高。已有文献认为， 采用大焓降叶片可 使动叶片只数下降1 4 ％ 一 2 0 ％ 。但是， 叶片气动负荷的提 高易于引起流动分离， 不仅提高流动损失， 而且降低叶片的 气动负荷 ， 使叶片的大焓降特性消失 ， 因此对于大焓降叶片， 控制流动分离和降低二次流损失是其发展与应用的关键技 术和研究热点 J 。 理论与试验均证明， 叶片的气动性能与叶片的加载型式 密切相关 。目 前 ， 沿叶片弦向的加载型式有两种， 即前部 加载与后部加载。国内外许多学者研究了前后部加载叶片 的气动性能 J 。有的作者们认为， 后部加载叶片因其降低了 跨叶片截面流道前部和中部的横向压力梯度， 减少了端部横 向二次流损失 j 。此外， 后部加载叶片还具有冲角适用范围 宽、 出气边薄的特点 J 。哈汽公司的设计者利用后部加载叶 片的上述优点， 设让工抽适用于大功率蒸汽透平高中压级 的低展弦比大焓降扭曲动叶片 以下简称大焓降动叶 。 本文为了考察大焓降动叶的变马赫数特性 ， 利用现有的 低速风洞试验， 对采用大焓降动叶的模型叶栅进行了吹风试 验， 利用试验结果验证 了 C F X软件的计算结果。然后应用 该软件数值模拟了模型叶栅在不同马赫数下的气动性能。 l 计算方法 1 ． 1 几何模型 本文数值计算采用的几何模型为哈汽公司设计的应用 于某型大功率蒸汽透平高中压缸的大焓降动叶栅 图 1 ， 其 几何参数如表 1 。 1 ． 2网格 划分 本文数值计算采用一阶和二阶精度迎风差分格式。一 阶精度迎风差分格式收敛较快， 但是 当对流剧烈时精度较 差。二阶精度迎风差分格式在对流剧烈时精度高， 可是收敛 较慢。本文在对流强度较弱区域采用一阶精度迎风格式， 在 对流较强的区域采用二阶精度迎风格式， 这样既保证了计算 精度， 又减少了计算时间。A N S Y S C F X的T u r b o G r i d模块为 用户提供了多种网格拓扑结构。本文采用图 2 所示的正交 性好 、 网格质量高的A T M O p t i m i z e d拓扑结构。 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 - 0 1 作者简介 石玉文 1 9 7 1 ． ， 男， 黑龙江肇东市， 博士生， 高级工程师， 主要从事汽轮机气动热力学方面研究。 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 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 第 1 期 石玉文等 马赫数对大焓降动叶气动特性影响的数值研究 5 2 当气流进入流道 ， 在前 0 ． 5 轴向弦长， 马蹄涡压力侧和吸 力侧分支向吸力侧壁角卷吸， 压力面分支接近吸力面壁角 ， 但尚未进入， 流动损失增长的速率逐渐加快。 3 在流道的 后半部分 ， 马蹄涡两个分支与通道涡在吸力面壁角交汇， 并 遭遇逆压梯度， 流动状况迅速恶化， 总压损失急剧增加。 4 流动进入叶栅下游， 通道涡、 壁角涡以及尾流中的出口边涡 卷吸的低动量流体向主流扩散， 产生掺混损失。迄今为止， 掺混引起损失增加的机理还不完全清楚 ， 仅知道通道涡、 壁 角涡和出口边涡及其相互作用在其中起主要作用。 图9更清楚地显示了马赫数对总压损失的影响。当叶 栅中没有出现超跨音速流动， 即出口马赫数不高于0 ． 5 3 时， 随着马赫数的增加 ， 在相同轴向位置总压损失减小。当出口 马赫数大予0 ． 5 3 ， 叶栅中出现超跨音速流动。在非超跨音速 流动区， 相同轴向位置的总压损失系数仍遵循随马赫数升高 而降低的变化规律， 仅在叶栅尾缘和邻近下游的激波影响 区， 由于激波及其与边界层、 二次涡系的相互干扰， 造成总压 损失以明显高于亚音速流动的速率急剧增长。 2 ． 5 叶栅总压损失随马赫数的变化 图 1 0表示动静叶栅质量流量平均总压损失系数随马赫 数的变化。如图所展示的那样， 当马赫数不超过0 ． 5 3 ， 随着 马赫数的增加， 叶栅的总压损失系数降低 ， 并且降低的速率 越来越小。如前所述， 这是由于马赫数增加， 叶栅的膨胀加 速流动愈来愈 占主导， 壁面边界层变薄。此外 ， 叶栅两端叶 型进一步后加载 ， 在流动损失中占重要比例的端壁横向二次 流损失降低。气流的雷诺数随马赫数的增加而增大 ， 当雷诺 数增大到流动进入 自动模化区， 因气体黏性引起的叶型损失 与二次流损失不再变化。出口马赫数大于0 ． 5 3 之后， 总压损 失随马赫数的增加是由于激波损失增加所导致的。而且当 出口马赫数大于0 ． 8 1 ， 激波损失大幅升高， 致使图 1 0中曲线 右侧相对马赫数坐标轴呈现大斜率变化。不过在汽轮机中， 动叶出口马赫数通常不会达到这么高的数值。 图 1 0 叶栅总压损失系数随马赫数 的变化 3 结论 本文应用商业软件 A N S Y S C F X对大焓降动叶在出口马 赫数由0 ． 4 7 至0 ． 9 2 范围内变化的 7个方案进行 了数值模拟， 通过对计算结果的分析， 得出以下结论 1 数值模拟结果证明， 设计者对大焓降动叶片的设计 思想是 采用由叶根至叶顶吸力面最低压力点逐渐前移的后 加载叶型， 一方面满足了动叶应用于透平级反动度沿叶高增 加负荷提高的需求， 另一方面降低了上下端壁流道前部和中 部的横向压力梯度， 削弱了端壁横向二次流强度。 2 随着动叶出口马赫数的增大 ， 气流膨胀加速趋于强 烈， 壁面边界层减薄， 全叶高叶型进一步后加载， 与边界层和 壁面压力梯度密切相关的叶型和二次流损失降低， 但是当出 口马赫数高到叶栅内出现超跨音速流动后， 继续增大马赫 数， 叶型和二次流损失基本变化较小， 激波增强且波系复杂 化 ， 激波损失迅速提高。 3 出口马赫数 由0 ． 4 7 提高至0 ． 8 1 ， 大焓降动叶栅的总 流动损失在7 ． 5 ％至1 4 ． 5 ％之 间变化， 该数据表明大焓降动 叶具有 良好的变马赫数特性 。 参 考 文 献 [ 1 ] 李春， 张禹， 刘跃飞． 大型空冷汽轮机通流设计[ J ] ．汽轮 机技术 ， 2 0 0 6 ， 4 8 4 2 5 92 6 1 ． [ 2 ] 周凡贞， 蒋洪德， 冯国泰．汽轮机采用高负荷叶片和大焓降级 的初步探讨[ J ] ．汽轮机技术 ， 2 0 0 2 ， 4 4 1 1 61 9 ． [ 3 ] 周凡贞， 王世勇， 丁晓娟 ， 等． 涡轮高载荷动叶片设计及级三维 流场数值分析[ J ] ．推进技术， 2 0 0 4 ， 2 5 1 6 2 6 5 ． [ 4 ] 李军， 孙皓， 李彬 ， 等． 高负荷叶片和大焓降级在叶轮机 械通流部分设计和优化 中应用的研究进展[ J ] ．热力透平， 2 0 1 1 ， 4 0 I 1 6 4 9 ． [ 5 ] M ． E r i e L y a l l ， P a u l I ． K i n g ， R o ff S o n d e r g a a r d ， e t a 1 ． A n I n v e s t i g a t i o n o f R e y n o l d s L a p s e R a t e f o r H i g } Il y L o a d e d L o w P r e s s u r e T u r b in e A i rf o il s w i t h F 6 r w a r d a n d A ft L o a d i n g[ R] ．G T 2 0 1 1 4 6 3 2 8． [ 6 ] F U N A Z A K I K e ni c h i ， S H I B A T a k a h i r o ， T A N I MI T S U H a r u y u k i ． Ef f e c t s o f Bl a d e L o a d i n g Di s t r i b u t i o n o n Ae r o dy n a mi c Pe rf o r ma n c e of Ul t r a Hi g h L i ft LP T u r b i n e Ai r f o i l s Un d e r t h e I n f l u e n c e s o f Wa k e P a s s in g a n d Fr e e s t r e a m T u r bu l e n c e 『R] ．GT 2 01 0～2 2 1 3 4． 1 7 j T ． J ．P r a i s n e r ， E ． A ．G r o v e r ， D ． C ．K n e z e v i e i ， e t a 1 ．T o w a r d t h e E x p a n s i o n o f L o wP r e s s u r e T u r b i n e A i rf o i l D e s i g n S p a c e [ R ] ． G1 20 085 0 8 9 8 ． [ 8 ] 吕智强， 韩万金． “ 后部加载” 叶型气动性能的研究[ J ] ．汽轮 机技 术 ， 2 0 0 1 ， 4 3 4 2 3 4 2 3 5 ． 上接第 6 2页 [ 3 ] 李明． 平行不对中转子系统的非线性动力学行为[ J ] ．机械 强度 ， 2 0 0 5 ， 2 7 5 5 8 0 5 8 5 ． [ 4 ] 安学利， 周建中， 向秀桥， 等． 刚性联接平行不对中转子系统振 动特性[ J ] ．中国电机工程学报， 2 0 0 7 ， 2 8 1 1 7 7 8 1 ． [ 5 ] 黄志伟， 周建中， 张传勇．水轮发电机组转子不对中 一 碰摩耦 合故障动力学分析[ J ] ．中国电机工程学报， 2 0 1 0 ， 3 0 8 8 8 9 3 ． [ 6 ] 汪 磊， 顾煜炯． 汽 轮发电 机组联轴器平行不对中 在线诊断方 法的研究[ J ] ． 现代电力， 2 0 1 i ， 2 8 3 7 0 7 4 ． [ 7 ] 胡茑庆．转子碰摩非线性行为与故障辨识的研究[ D ] ．长沙 国防科技大学出版社， 2 0 0 5 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m