氣冷渦輪葉柵流場(chǎng)計(jì)算方法及其應(yīng)用

1、文章編號(hào) : 1001 - 2060 ( 2011 ) 03 - 0280 - 04氣冷渦輪葉柵流場(chǎng)計(jì)算方法及其應(yīng)用周鴻儒 ,顧忠華 ,韓萬(wàn)金 ,劉占生(哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 ,黑龍江 哈爾濱 150001 )摘 要 :基于三維 N - S 方程求解 ,采用三階段精度 TVD 格式以及分區(qū)算法 ,結(jié)合自由型曲面復(fù)雜網(wǎng)格生成技術(shù) ,開(kāi)發(fā) 了高效的冷氣摻混流場(chǎng)計(jì)算方法 。對(duì)某氣冷渦輪在多種噴 氣方案下的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬 ,指出葉片前緣噴氣對(duì)葉柵 能量損失影響相對(duì)較小 。葉片頂端開(kāi)設(shè)離散孔噴氣方案具 有較小的能量損失以及較好的氣冷效果 。所開(kāi)發(fā)的計(jì)算方 法能夠較好地應(yīng)用于冷氣摻混復(fù)雜流

2、場(chǎng)的計(jì)算 。1 數(shù)值方法1. 1 控制方程時(shí)間平均的無(wú)量綱化任意曲線坐標(biāo)系下的 N -S 方程為 : 9 U + 9 E + 9 F + 9 G = 1 ( f+ f+ 9 Q +2 )19t 999r9關(guān) 鍵 詞 :自用型曲面 ;多塊網(wǎng)格 ;氣冷渦輪 ;能量損失 9 R 9 S9 + 9( 1 )中圖分類號(hào) : TK263. 3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A 式中 : E、F、G無(wú) 粘 通 量 ; Q、R、S 粘 性 通 量 ; f 1 、f 2 源項(xiàng) ,具體表達(dá)式見(jiàn)文獻(xiàn) 7 。本研究 采用 具有 TVD 性質(zhì)的三階精度 Godunov有限差分格式對(duì) 方程進(jìn)行離散 , 湍流模型采用 B - L 代數(shù)模型

3、 。各子區(qū)域之間的參數(shù)傳遞采用通量的線性插值 ,并做守恒處理 。采用隱式多重網(wǎng)格進(jìn)行加速 。在噴射孔 區(qū)設(shè)定邊界條件 ,通過(guò)確定每一個(gè)冷氣孔處的冷氣 總溫 、流量和噴射角 ,補(bǔ)充流場(chǎng)內(nèi)點(diǎn)壓力 ,利用一維等熵關(guān)系式確定冷氣孔區(qū)的參數(shù) ,詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn) 7 。1. 2 計(jì)算網(wǎng)格雙 3次參數(shù)樣條曲面模型 :引言深入理解氣冷渦輪葉柵內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及損失機(jī)理 ,發(fā)展有效的數(shù)值模擬技術(shù) ,定性或定量地了解各 種參數(shù)對(duì)冷卻渦輪氣動(dòng)性能的影響 ,對(duì)提高氣冷渦 輪設(shè)計(jì)水平有著必然的促進(jìn)作用 。目前氣膜冷卻問(wèn) 題研究 都 集 中 在 冷 氣 流 動(dòng) 以 及 熱 傳 導(dǎo) 的 機(jī) 理 方 面 14 ,已經(jīng)對(duì)葉根 、葉頂

4、以及前 、尾緣不同位置的 射流運(yùn)動(dòng)做了細(xì)致的研究 。但是由于精確求解冷氣 摻混問(wèn)題需要大量的計(jì)算機(jī)資源 ,因此對(duì)氣冷渦輪 葉柵在任意冷卻方案下的流場(chǎng)特征以及氣動(dòng)性能的 數(shù)值研究還不多見(jiàn) 。文獻(xiàn) 5 6 做了葉柵多排冷 氣孔的數(shù)值模擬 ,但是對(duì)計(jì)算資源要求較高 ,不適于 工程設(shè)計(jì)應(yīng)用 ?；谌S N - S 方程求解 ,采用具有 Godunov 性質(zhì)的三階精度 TVD ( To ta l V a ria tion D im in ished)格 式 、分區(qū)算法以及隱式多重網(wǎng)格算法 ,對(duì)具有復(fù)雜幾 何外形的氣冷渦輪流場(chǎng)進(jìn)行高效 、快速的求解 。應(yīng) 用自由型曲面技術(shù) ,可以生成任意排列的冷氣孔網(wǎng)

5、格 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)氣冷渦輪流場(chǎng)進(jìn)行多種冷氣噴射方案的 計(jì)算 ,并使之能夠應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)當(dāng)中 。計(jì)算了葉 片前緣 、壓力面 、吸力面 、端壁以及離散孔噴氣對(duì)葉 柵氣動(dòng)參數(shù)以及能量損失的影響 ,評(píng)估了各方案的 冷卻效 果 。通 過(guò) 選 擇 噴 氣 方 案 , 得 到 較 好 的 計(jì) 算 結(jié)果 。Pi, j ( u, v) = A ·B ·C( 2 )A = F0 ( s)F1 ( s)Pi, j + 1G0 ( s)Pv, i, jG1 ( s) Pv, i, j + 1Pi, jPPPPi + 1, ji + 1, j + 1v, i + 1, jv, i + 1, j + 1B

6、=PPPPu, i, ju, i, j + 1uv, i, juv, i, j + 1Pu, i + 1, jPu, i + 1, j + 1Puv, i + 1, jPuv, i + 1, j + 1F0 ( t)F1 ( t) G0 ( t) G1 ( t)C =式中 : F0 ( ) 、F1 ( s) 、G0 ( s) 、G1 ( s ) 3 次 埃 爾 米 特基 ; Pi, j 葉型型值點(diǎn)位置矢量 ; Pu, i, j、Pv, i, j u 向和 v收稿日期 : 2010 - 05 - 06; 修訂日期 : 2010 - 12 - 20作者簡(jiǎn)介 :周鴻儒 ( 1963 - ) ,男 ,

7、吉林公主嶺人 ,哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生.第 3期周鴻儒 ,等 :氣冷渦輪葉柵流場(chǎng)計(jì)算方法及其應(yīng)用·281·向切失 ; Puv, i, j 二階混合偏導(dǎo)失 , 詳細(xì)定義見(jiàn)文獻(xiàn) 8 。在曲面參數(shù)坐標(biāo)內(nèi)求解二維 Po ssion 方程 ,生 成冷氣孔網(wǎng)格 ,作為邊界條件 ,在絕對(duì)坐標(biāo)系內(nèi)求解 三維 Po ssion方程 ,生成多塊網(wǎng)格中的子區(qū)域空間網(wǎng) 格 ,網(wǎng)格如圖 1和圖 2 所示 。301;葉片數(shù)目 : 53; 進(jìn)口總溫 : 606 K; 冷氣總溫 : 480K;進(jìn)口總壓 : 122 300 Pa;進(jìn)口氣流角 : 0; 出口靜壓 :51 600 Pa。與在哈工大低速實(shí)驗(yàn)臺(tái)上

8、 進(jìn)行 的該 型 渦輪導(dǎo)葉實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比 ,結(jié)果表明 ,對(duì)該型子 午擴(kuò)張渦輪葉柵出口能量損失的模擬 ,在損失高度 以及變化趨勢(shì)上與實(shí)驗(yàn)是吻合的 ,并且總損失相差不大 ,對(duì)型面參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好 。文 獻(xiàn) 9 中采用基本相同的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了氣膜 孔周?chē)?場(chǎng) 細(xì) 節(jié) 的 數(shù) 值 模 擬 , 給 出 了 合 理 的 計(jì) 算 結(jié)果 。2. 2 有無(wú)冷氣條件下葉片表面靜壓的比較本研究對(duì)氣冷渦輪葉片進(jìn)行了不同冷氣方案的 數(shù)值計(jì)算 ,如表 1所示 。圖 1 流面網(wǎng)格表 1冷氣方案比較( % )圖 2 下端壁表面網(wǎng)格圖 4 葉片壓力 、吸力表面壓力等值線圖 4表示葉片壓力面和吸力面靜壓等值

9、線 ,圖5表示不同葉高位置型面靜壓的比較曲線 。葉片前 緣和吸力面噴氣對(duì)葉片表面壓力的影響非常明顯 , 其中吸力面兩個(gè)位置的噴氣影響尤為明顯 。吸力面 冷氣孔附近壓力明顯的跳動(dòng) ,使得在噴氣區(qū)域葉片負(fù)荷變化非常不均勻 ,這種不均勻區(qū)域在吸力面加 速段以前影響范圍比較大 ,如圖可以看到 ,在中徑處 達(dá)到了約 1 /3弧長(zhǎng) ,在葉頂 ,則由于冷氣噴射所導(dǎo)致 的型面壓力與無(wú)冷氣噴射時(shí)相比 ,在整個(gè)吸力面弧 長(zhǎng)內(nèi)都沒(méi)有重合在一起 。另外 ,觀察不同葉高吸力圖 3 節(jié)距平均能量損失沿葉高的分布2 算例分析2. 1 計(jì)算方案以某型渦輪靜葉柵為例 ,在葉片表面共開(kāi)設(shè)了7 排冷氣孔 ,并在葉片尾緣開(kāi)設(shè)了一條冷

10、氣縫 。計(jì) 算網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)數(shù) : H 區(qū) : 89 ×41 ×41; O 區(qū) : 223 ×7 ש 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 渦輪進(jìn) 能量損葉表平 冷氣方案口流量 失系數(shù)均溫度 改變量 改變量改變量無(wú)冷氣0 0 0( 1 ) 葉表 8 排噴氣 3. 9 22. 4 - 24. 1 ( 2 ) 葉表 8 排 +端壁噴氣 6. 2 26. 9 - 25. 0 ( 3 ) 前緣 3 排 +尾緣 +端壁噴氣 4. 3

11、 15. 1 - 22. 1 ( 4 ) ( 3 ) +端壁離散孔噴氣 4. 5 18. 3 - 23. 0·282·熱能動(dòng)力工程2011年面尾緣附近噴氣 ,可以推測(cè)出等熵馬赫數(shù)的分布規(guī)律 ,即葉頂尾緣附近由于冷氣噴射而導(dǎo)致氣流加速 劇烈 ,更容易產(chǎn)生激波 。因此指出 ,由于每個(gè)冷氣孔 工作條件都有所不同 ,冷氣噴射使得葉片負(fù)荷變化 的不均勻性大大增加 ,會(huì)極大影響渦輪氣動(dòng)性能 。則基本消失 ,這可能會(huì)使端部損失有較為明顯的增加 。A dam i P等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算也對(duì)型面壓力和 馬赫數(shù)進(jìn)行了描述 5 ,在變化規(guī)律的細(xì)節(jié)上與本計(jì) 算結(jié)果是一致的 。圖 64種方案下葉柵出口

12、節(jié)距平均能量損失系數(shù)沿葉高的分布圖 5 葉片型面靜壓分布2. 3 不 同 噴 氣 方 案 條 件 下 葉 柵 整 體 氣 動(dòng) 性 能 的比較圖 6表示 4個(gè)方案下葉柵出口節(jié)距平均能量損 失比較 。以方案 1 葉表 8 排孔損失曲線為基準(zhǔn) ,方案 2端壁噴氣后 ,在葉頂 15 %范圍以及葉根 10 %范 圍內(nèi) ,端壁噴氣造成了明顯的能量損失 ,尤其在大子 午擴(kuò)張的葉頂 ,葉頂子無(wú)擴(kuò)張?jiān)斐闪搜厝~頂指向中 部的徑向壓力梯度 ,上通道渦的高度下降到了 70 %由冷氣噴射所造成的另一變化就是在冷氣孔排附近形成了局部較強(qiáng)的順壓力梯度 ,對(duì)葉片表面 ,尤 其是對(duì)葉片吸力面徑向壓力梯度造成了比較明顯的影響 。

13、本研究渦輪葉型為大子午擴(kuò)張 ,尤其是葉頂擴(kuò)張比較劇烈 ,這樣就造成葉頂和葉根不同程度的 徑向竄流 ,形成葉型造成的由端部指向中徑的徑向 壓力梯度 ,葉頂這一徑向壓力梯度在冷氣孔排的局 部順壓力梯度影響下受到了一定程度的削弱 ,根部© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 3期周鴻儒 ,等 :氣冷渦輪葉柵流場(chǎng)計(jì)算方法及其應(yīng)用·283·80 %葉 高 位 置 , 端 壁 摻 混 損 失 獨(dú) 立 存 在 于 葉 頂20 %范圍內(nèi) ,且損失最

14、大值已經(jīng)超過(guò)了通道渦對(duì)應(yīng) 的高損失峰值 ,形成另一高損失區(qū) 。葉根子午擴(kuò)張 造成的徑向壓力梯度明顯小于頂部 ,下通道渦的高 度位于 5 % 15 % 范 圍 內(nèi) , 損 失 曲 線 在 葉 高 中 部15 % 75 %范圍內(nèi)損失沒(méi)有任何變化 ,說(shuō)明在遠(yuǎn)離端壁的區(qū)域不會(huì)受到端壁摻混損失的影響 。 許多研究已經(jīng)指出 ,前緣噴氣處于較強(qiáng)順壓力梯度區(qū) ,在葉片表面大部分區(qū)域比較容易形成氣膜 。 在這里還指出 ,前緣噴氣對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響也 要比其他噴氣位置小得多 。此外 ,進(jìn)口端壁噴射的冷氣一部分可以隨馬蹄渦吸力面分支進(jìn)入通道渦 , 并環(huán)繞在通道渦的外部 ,跟隨通道渦掃過(guò)葉片端部 表面的兩個(gè)三角區(qū)域

15、 ,可以對(duì)那里進(jìn)行一定程度的 冷卻 ,而這一區(qū)域正是在葉片表面開(kāi)設(shè)冷氣孔所不 能形成有效氣膜的區(qū)域 。再增加葉片端部離散孔噴氣 ,保證葉根和葉頂?shù)睦錃饬?,以形成冷氣對(duì)葉片表 面的完全覆蓋 ,而氣動(dòng)性能不會(huì)明顯下降 。氣對(duì)吸力面通道渦區(qū)域的冷卻作用比較明顯 ,引入的能量損失卻不 大 。本 研 究計(jì) 算得 到 了冷 氣量 較 小 ,能量損失較低的噴氣方案 。參考文獻(xiàn) : 1 BOHN D , H EU ER T. Con juga te flow and hea t tran sfe r ca lcu la tion of a h igh p re ssu re tu rb ine nozzle

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20、參數(shù)及能量損失的 影響 。與葉片壓力 、吸力面多排孔噴氣以及端壁噴 氣相比 ,葉片前緣噴氣對(duì)葉柵能量損失的影響相對(duì) 較小 ,葉表溫度相差不大 。葉片頂端開(kāi)設(shè)離散孔噴 9 俄亥俄州利用高爐煤氣的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置據(jù)Ga s Tu rb ine W o rld2010年 7 8月號(hào)報(bào)道 ,俄亥俄州環(huán)境保護(hù)局正在審查 A ir P roduc ts公司提出的建造一個(gè)利用 B FG (高爐煤氣 )進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)裝置生產(chǎn)許可申請(qǐng) 。 該項(xiàng)目將建造并運(yùn)行動(dòng)力渦輪 、鍋爐和相關(guān)的設(shè)備 ,將捕獲現(xiàn)有 A K Stee ls M idd le town W o rk s (米德?tīng)栴D鋼鐵廠 )的廢氣 。按照 A ir P

21、 roduc ts公司的申請(qǐng) ,高爐廢氣將用作為燃料 ,生產(chǎn)電力和蒸汽用于煉鋼過(guò)程 。 該裝置將使用一臺(tái)額定功率超過(guò) 100 MW 的 GE Ene rgy燃?xì)廨啓C(jī)和一臺(tái)供給 70 MW 汽輪機(jī)的不補(bǔ)燃余熱鍋爐 ;一部分高爐煤氣還將作為熱源驅(qū)動(dòng)輔助鍋爐 ,產(chǎn)生蒸汽作為備用汽源 。 投入運(yùn)行時(shí) ,兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組將生產(chǎn)約 105 MW 功率的電力 。(吉桂明摘譯 )© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 新技術(shù) 、新工藝第 3期英文摘要·369

22、3;cond ition fo r fau lt2d iagno sis ru le s in a ssign ing we igh ts, the dem e rits existing in sub jec tive ly a ssign ing we igh ts we reove rcom e, the reby weaken ing the influence of unce rta in tie s in the p roce ss of fau lt d iagno sis and rea son ing. Then, the we igh ted fuzzy logic wa

23、s u sed to p e rfo rm a rea son ing of the fau lt2d iagno sis ru le s and iden tify the fau lt mode ac2 co rd ing to the re su lt of the rea son ing. The above2m en tioned m e thod no t on ly fu lly u tilize frequency sp ec trum cha rac2 te ristic s, an impo rtan t fau lt sign, a s a p re lim ina ry

24、 ba sis fo r judging the fau lt d iagno sis bu t a lso comp rehen sive ly u ti2 lize the fau lt sign s in va riou s typ e s wh ich reflec t the info rm a tion of the fau lt in va riou s a sp ec ts, the reby ach ieving the a im of mo re accu ra te ly iden tifying a fau lt. Key word s: steam tu rb ine

25、 un it, vib ra tion m a in e lem en t ana lysis,c lu ste ring ana lysis, rough se t, we igh ted fuzzy logic, fau lt d iagno sis氣冷渦輪葉柵流場(chǎng)計(jì)算方法及其應(yīng)用 = M e thod for Ca lcu la t in g the F low F ie ld in an A ir2coo l in g Turb in eCa sca de an d Its A pp l ica t ion s 刊 ,漢 ZHOU Hong2ru, GU Zhong2hua, HAN

26、W an2jin, e t a l ( Co llege of Ene rgy Sc ience and Enginee ring, H a rb in In stitu te of Techno logy, H a rb in, Ch ina, Po st Code: 150001 ) / / Jou rna l of Engi2 nee ring fo r The rm a l Ene rgy & Powe r. - 2011 , 26 ( 3 ) . - 280283B a sed on the so lu tion s to the th ree2d im en siona l

27、 N - S equa tion, by u sing the TVD ( to ta l va ria tion d im in ished) fo r2m a t and d ivision a lgo rithm w ith a th ree2o rde r p rec ision and in com b ina tion w ith the free typ e cu rved su rface comp lex grid gene ra tion techn ique, deve lop ed wa s an effec tive m e thod fo r ca lcu la t

28、ing co ld2a ir m ixed and d ilu ted flow fie ld s.A num e rica l sim u la tion wa s p e rfo rm ed of the flow fie ld in an a ir2coo ling tu rb ine w ith va riou s a ir je t schem e s and the a ir je t from the lead ing edge of the b lade s exe rc ising a re la tive ly sm a ll influence on the ene rg

29、y lo ss of the ca scade wa s p inpo in ted. The a ir je t schem e w ith d isc re te ho le s d rilled a t the top of the b lade s ha s a re la tive ly sm a ll ene rgy lo ss and can ach ieve re la tive ly good a ir2coo ling effec tivene ss. The ca lcu la tion m e thod deve lop ed by the au tho rs can

30、be app licab le fo r ca lcu la ting comp lex flow fie ld s m ixed and d ilu ted w ith co ld a ir. Key word s: free typ e cu rved su r2face, m u lti2b lock grid, a ir2coo ling tu rb ine, ene rgy lo ss一種新型改 進(jìn) 閾 值 函 數(shù) 的 第 二 代 小 波 降 噪 方 法 = Secon d2gen era t ion W a ve le t No ise Reduc t ion M e thodBa sed on a New Type Im proved Thre sho ld Va lue Fun c t ion 刊 ,漢 ZHAO Peng ( Co llege of Ene rgy Sou rce and Powe r Enginee ring, No rth Ch ina U n ive rsity of E lec tric Powe r, B e ijing, Ch ina, Po st