2015工程熱物理氣動(dòng)文獻(xiàn)

1、中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議熱機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)編號(hào)：152027間隙結(jié)構(gòu)對(duì)渦輪，的影響（上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院，上海 200240）（Tel:，: xiaochengjiuke）摘 要 使用 CFD 方法及k-epsilon 湍流模型進(jìn)行求解，對(duì)間隙泄漏渦的產(chǎn)生機(jī)理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。對(duì)比分析了不同間隙高度對(duì)渦輪損失的影響，以及間隙泄漏渦的結(jié)構(gòu)及大小隨著間隙高度的變化的變化。結(jié)果表明：隨著間隙高度的增加，泄漏渦的強(qiáng)度和大小增加，渦輪損失增大。并且在間隙增大時(shí)，泄漏渦逐漸遠(yuǎn)離吸力面。渦輪，間隙，泄漏流，泄漏渦引言在泄漏流量占總流量的比例約增加 2.1%，造能損失線性增加。及地面燃?xì)廨啓C(jī)中，流軸壓氣機(jī)或軸

2、流渦輪葉片頂部與機(jī)匣之間有一定的間隙，轉(zhuǎn)子葉片的高速旋轉(zhuǎn)以及間隙 和端壁面邊界層的影響使得間隙區(qū)域 極其復(fù)雜1。轉(zhuǎn)子葉隨著實(shí)驗(yàn)測(cè)試的發(fā)展，使用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)間隙的機(jī)理和特性有了更深入的研究。Xiaocheng Zhu、Wanlai Lin13等人在某片面和吸力面的壓差產(chǎn)生間隙軸流風(fēng)扇間隙處使用離子失23，當(dāng)泄漏流離開間隙后與主流相蹤方法觀測(cè)到間隙流卷起形成泄漏渦，隨著葉片轉(zhuǎn)動(dòng)泄漏渦遠(yuǎn)離葉片吸力面。而 Juan Du、Feng Lin14等人對(duì)軸流轉(zhuǎn)互作用產(chǎn)生泄漏渦。隨著泄漏渦的產(chǎn)生和變化45，又產(chǎn)生不同的對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生不同的影響。現(xiàn)象以及子葉片間隙進(jìn)行數(shù)值模擬及實(shí)由于間隙區(qū)域復(fù)雜

3、的特驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)經(jīng)過葉片前 50%弦長(zhǎng)的泄漏流會(huì)與主流相交產(chǎn)生泄漏渦，而經(jīng)過葉性，間隙泄漏流對(duì)渦輪的性能有著顯著影響67。早在上世紀(jì) 90 年代，Denton,片后片的泄漏50%弦長(zhǎng)的泄漏流會(huì)沖擊到相鄰葉面。目前在高壓渦輪轉(zhuǎn)子間隙J. D8等人研究發(fā)現(xiàn)間隙損失輪機(jī)械總損失的 30%以上。而對(duì)于渦輪的形態(tài)、間隙渦的形成及而言，間隙導(dǎo)致的損失更加明顯，發(fā)展規(guī)律、間隙泄漏損失機(jī)理以及間隙Rao N M，Camci C910等人，研究認(rèn)為由葉尖間隙引起的損失已經(jīng)占到了渦輪端區(qū)損失的一半以上。目前普遍認(rèn)為，高度對(duì)間隙的方面仍在繼續(xù)發(fā)展中，需要進(jìn)一步研究。本文使用 CFD 方法對(duì)某一高壓渦輪較小的葉尖間隙能

4、夠渦輪性能并能流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了間降低噪聲；過大的葉尖間隙會(huì)使渦輪性能下降，并可能引起旋轉(zhuǎn)失速、喘振等隙高度逐漸增大時(shí)，對(duì)渦輪造成損失的變化。以及揭示了間隙泄漏流結(jié)構(gòu)現(xiàn)象11。12通非定常，變化規(guī)律、間隙泄漏渦的變化情況以及間隙流和主流之間摻混情況及其變化規(guī)律。協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃過對(duì)某跨聲速高壓渦輪流場(chǎng)模擬研究，發(fā)現(xiàn)間隙高度每增加 1%相對(duì)，間隙基金項(xiàng)目：自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11202132）；2011 先進(jìn)1.計(jì)算對(duì)象及數(shù)值方法如圖 1，本文以某k-epsilon 湍流模型進(jìn)行求解。收斂標(biāo)準(zhǔn)為將最大殘差值設(shè)定為 10e-4。2.計(jì)算結(jié)果及分析根據(jù)以往的研究及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著間隙高度的增加

5、，渦輪損失增加，高溫高壓燃?xì)庾龉δ芰ψ儾睿瑸榱苏f明間隙變化對(duì)渦輪性能的影響，本文一級(jí)高壓渦輪為研究對(duì)象，在計(jì)算單流道中，靜一個(gè)大葉片及三個(gè)小葉片，模擬動(dòng)葉間隙高度從 0.2mm 到 2mm 變化時(shí)的渦輪流場(chǎng)，以此分析在不同間隙高度時(shí)泄漏流等的變化。以及泄漏渦結(jié)構(gòu)、大小對(duì)渦輪各動(dòng)總壓的損失進(jìn)行了對(duì)比。因此定義了總壓損失系數(shù)15，其公式如下所示：圖 1 所示為網(wǎng)格劃分圖，其中包括在動(dòng)頂區(qū)域葉片前緣和尾緣處的網(wǎng)格放大圖。為了確保計(jì)算結(jié)果不受網(wǎng)格質(zhì)量的影響，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，使用的網(wǎng)格總數(shù)約為 91 萬，其中動(dòng)葉網(wǎng)格Pt1 - Pt 2x =Pt 2 - Ps 2數(shù) 26 萬，考慮到更好的捕捉動(dòng)頂間

6、其中 Pt1 和 Pt2 分別表示進(jìn)口和出口的平均總壓， Ps2 表示渦輪出口的平均靜壓，在此都使用質(zhì)量平均。隙特征，在間隙處徑向分布 15層網(wǎng)格。在圖 2 中給出了在不同度時(shí)渦輪總壓損失系數(shù)沿間隙高向的分布。由于間隙以及輪轂和機(jī)匣端壁面的影響，各動(dòng)排的總壓損失系數(shù)在中間處達(dá)到最小，由中間處向及逐漸增大，尤其在處總壓損失系數(shù)達(dá)到最大。而隨之間隙高度的增加，總壓損失系數(shù)隨之增大。從而使得渦輪的總體性能降低。圖 1 高壓渦輪級(jí)網(wǎng)格計(jì)算時(shí)邊界條件設(shè)定為在處給定總壓，并根據(jù)進(jìn)口導(dǎo)葉的氣流角給定速度方向，出口處設(shè)置靜壓參數(shù)。將機(jī)匣設(shè)定為絕熱、固壁、無滑移邊界條件; 葉片以及輪轂設(shè)為轉(zhuǎn)動(dòng)邊界，機(jī)匣則設(shè)為靜

7、止邊界。每種間隙高度下給定的邊界條件完全相同，壓力及溫度條件以及轉(zhuǎn)速按照渦輪級(jí)的設(shè)計(jì)工況給定。圖 2 不同間隙高度下渦輪總壓損失系數(shù)隨向的分布本文使用 CFX軟件的求解間隙泄漏流與主流摻混產(chǎn)生泄漏渦，這是影響渦輪葉片性能損失的最相 對(duì) 坐 標(biāo) 系 下 的 三 維 定 常Navier-Stokes( N-S) 方 程 。 使 用主要。動(dòng)片，研究了其不同間隙高度下泄漏渦的變化。圖 3使用流線圖詳細(xì)說明泄漏渦的產(chǎn)生和增是動(dòng)片維 Ma 數(shù)分布云圖，用大過程。圖 4 是間隙高度為 0.2mm9 組垂直于葉片弦長(zhǎng)的切面來顯示葉片時(shí)泄漏渦機(jī)理圖。通常而言，間隙通道 Ma 數(shù)的分布，以此來泄漏渦的泄漏流與主流

8、摻混形成泄漏渦。而在此增大和改變。在區(qū)域靠近吸力面部間隙高度下，在靠近區(qū)域，從葉片分，產(chǎn)生了一個(gè)從葉片前緣至尾緣面積逐漸增大的低速區(qū)域（如圖中箭頭所指），而此區(qū)域中心處正是泄漏渦的渦核，低速區(qū)域的發(fā)展代表了泄漏渦的流動(dòng)軌跡。前緣流入緊貼吸力面的流體形成泄漏渦的渦核，之后通過后 40%弦長(zhǎng)間隙的泄漏流卷入到此渦中。而對(duì)于通過前60%弦長(zhǎng)間隙的泄漏流，如圖 5 所示，緊貼吸力面流出葉片通道。隨著間隙高度的增加，在靠近吸力面處的低 Ma 區(qū)域逐漸增大，即泄漏渦區(qū)域隨之增大。對(duì)于整個(gè)葉片通道靠近機(jī)匣處的區(qū)域，隨著間隙增大，泄漏渦將更劇烈，影響范圍隨之增大， 故而此處 Ma 數(shù)隨之降低，泄漏渦處的流體速

9、度亦降低。如圖 3(d)所示，在間隙達(dá)到 2mm 時(shí)，泄漏渦逐漸遠(yuǎn)離吸力面，影響主流區(qū)域。(a)泄漏渦(b)泄漏渦渦核(c)泄漏渦外圍圖 4 0.2mm 間隙高度時(shí)泄漏渦結(jié)構(gòu)(a) 0.2mm(b)0.6mm圖 5 0.2mm 間隙時(shí)通過前 60%弦長(zhǎng)泄漏流間隙的圖 6 是間隙高度為 0.6mm 時(shí)泄漏渦機(jī)理圖。在此間隙高度下，泄漏渦渦核由從葉片前緣流入緊貼吸力面的流體形成，這與 0.2mm 間隙高度形一樣。但相較于 0.2mm 間隙高度時(shí)，泄漏渦強(qiáng)度及大小增加。此外，如圖(c) 1mm圖 3 葉片(d) 2mm維 Ma 數(shù)分布云圖6(c)，此時(shí)通過后 50%弦長(zhǎng)間隙的為了更加深入研究泄漏渦的

10、變化，泄漏流卷入泄漏渦。通過前 50%弦長(zhǎng)間隙的泄漏流則與間隙高度為0.2mm 時(shí)一致，泄漏流緊貼吸力面流出葉片通道，如圖 7 所示。(a)泄漏渦(b)泄漏渦渦核(c)泄漏渦外圍圖 8 1mm 間隙高度時(shí)泄漏渦結(jié)構(gòu)而當(dāng)間隙高度增大至 2mm 時(shí)，如圖9 所示，泄漏渦的渦核只由通過上游弦(a)泄漏渦(b)泄漏渦渦核(c)泄漏渦外圍長(zhǎng)處間隙泄漏流，通過間隙的圖 6 0.6mm 間隙高度時(shí)泄漏渦結(jié)構(gòu)泄漏流將全部卷入泄漏渦。相較于之前小間隙情況，此時(shí)泄漏渦將達(dá)到最大，從而對(duì)主流通道的堵塞加劇。在間隙達(dá)到 2mm 時(shí)，泄漏渦甚至將擴(kuò)散至整個(gè)葉片通道。這與之前得出的總壓損失隨間隙增大而增大以及葉片通道 M

11、a 數(shù)分布的結(jié)論一致。圖 7 0.6mm 間隙時(shí)通過前 50%弦長(zhǎng)泄漏流間隙的如圖 8 所示，當(dāng)間隙高度繼續(xù)增加達(dá)到 1mm 時(shí)，泄漏渦將變更大，但與小間隙高度明顯不同的是，此時(shí)泄漏渦的渦核通過靠近葉片前緣處的間隙的(a)泄漏渦(b)泄漏渦渦核(c)泄漏渦外圍流體與貼近吸力面的來流一起形成，通過渦。間隙的泄漏流將全部卷入泄漏圖 9 2mm 間隙高度時(shí)泄漏渦結(jié)構(gòu)熵分布的分析也可以得到泄漏渦的變化及其損失機(jī)理16。圖 10 是不同間隙高度下 1 2 0 % 軸向弦長(zhǎng)位置熵分布。圖中高損失區(qū)域即熵最大的區(qū)域既是泄漏渦所在的地方。與16等人研究結(jié)果不同，在本文研究中并沒有觀測(cè)到通道渦，對(duì)產(chǎn)生主要損失的

12、仍是泄漏流與主流卷起形成的泄漏渦。隨著間隙的增漏渦所導(dǎo)致的由通過葉片前緣的泄漏流。隨著葉高損失區(qū)域增大，熵值也隨之增加。并且此高損失區(qū)域有向相鄰葉片通道移動(dòng)頂間隙的增漏渦將遠(yuǎn)離葉片吸力面，這種情況在大間隙時(shí)尤為明顯。(3)間隙高度不同時(shí)，通過不同間隙的趨勢(shì)，這與上文中隨著間隙增渦遠(yuǎn)離吸力面的結(jié)論一致。漏區(qū)域的泄漏流的軌跡不同。在小間隙下，只有通過后一段弦長(zhǎng)間隙的泄漏流會(huì)卷入泄漏渦，隨著間隙增大， 越來越多的泄漏流卷入泄漏渦中，直至間隙高度為 2mm 時(shí)，所有的泄漏流會(huì)卷入泄漏渦中。參考文獻(xiàn)1 Inoue M, Furukawa M. Physics of Tip(a) 0.2mm(b)0.6m

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14、 Gas Turbines and Power,圖 10 不同間隙下 120%軸向弦長(zhǎng)位置熵分布3 結(jié)論1986, 108(1): 15-21.3誠(chéng),煒. 葉輪機(jī)械中的（1）渦輪影響較大，隨著間隙高度對(duì)渦輪的性能間隙高度的增加，泄漏流與泄漏渦J. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2003,渦輪總壓損失增加，渦輪將轉(zhuǎn)化為24(5): 753-756.動(dòng)能的能力降低，渦輪性能變差。JIA Xi-Cheng, WANG Zheng-Ming, WANG（2）隨著間隙高度的增加，泄漏Jia-Wei. LEAKAGE FLOW AND LEAKAGE VORTEX IN渦的大小及強(qiáng)度隨之增加，尤其在大間隙情況下，泄漏

15、渦甚至?xí)U(kuò)散至整個(gè)葉片通道。（3 不同間隙高度下，泄漏渦的結(jié)構(gòu)也會(huì)有很大差異。在小間隙時(shí)，泄漏渦的渦核只由從葉片前緣流入緊貼吸力面的流體形成，隨著間隙增大，靠近葉片前緣的泄漏流將會(huì)滲入渦核中。而當(dāng)間隙進(jìn)一步增大到 2mm 時(shí)，泄漏渦渦核只TURBOMACHINERYJ. Journal Of EngineeringThermophysics, 2003, 24(5): 753-756.4,. 軸流壓氣機(jī)葉尖泄漏的時(shí)均J. 工程熱物理學(xué)報(bào), 1998, 19(6):681-686.MA Hongwei, YE Dajun. DEVELOPMENT OF TIPLEAKAGEVOTEXINSIDE

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