李少軍, 李 軍, 龔存忠, 豐鎮(zhèn)平

(1中船重工第704研究所,上海 200031;2西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所,西安 710049)

旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉周期性與上下游相鄰靜葉間相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得葉柵尾跡、葉頂泄漏流以及葉柵通道渦等相互干涉,導(dǎo)致透平機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)具有強(qiáng)烈的非定常特性,進(jìn)而影響透平機(jī)械的氣動(dòng)性能.動(dòng)葉頂部間隙泄漏流導(dǎo)致的損失在透平總損失的占很大一部分.在非定常條件下,泄漏流形成的泄漏渦與主流摻混后隨主流向下游移動(dòng)并周期性地與下游靜葉相互干涉,對(duì)下游靜葉內(nèi)部渦系結(jié)構(gòu)的發(fā)展及透平的氣動(dòng)性能產(chǎn)生較大的影響.目前對(duì)動(dòng)葉間隙泄漏流的大多數(shù)研究都是基于定常分析的,在定常計(jì)算時(shí),動(dòng)靜交界面?zhèn)鬟f的是周向平均量,上游葉片出口的周向不均勻性被完全忽略,與透平的實(shí)際運(yùn)行情況有很大的差別.而進(jìn)行非定常數(shù)值求解時(shí),動(dòng)靜交界面按照時(shí)間順序來(lái)傳遞當(dāng)?shù)刈兞?動(dòng)葉相對(duì)于靜葉轉(zhuǎn)動(dòng)至不同位置處的流動(dòng)特性可以被完全捕捉到,因此可以更好地揭示流場(chǎng)中各種非定常流動(dòng)細(xì)節(jié).

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)動(dòng)葉頂部間隙泄漏流動(dòng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和數(shù)值研究.Giers等[1]對(duì)某低壓三級(jí)透平動(dòng)葉圍帶頂部的泄漏流與主流及下級(jí)靜葉的干涉作用進(jìn)行了深入的研究,結(jié)果表明:動(dòng)葉頂部泄漏流所導(dǎo)致的損失中,50%以上是由泄漏流與主流摻混導(dǎo)致的,20%由間隙內(nèi)的流動(dòng)損失引起,其余則是攻角損失或二次流損失;Anker等[2]對(duì)某一級(jí)半低速透平圍帶頂部的泄漏流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了泄漏流對(duì)動(dòng)葉出口氣流角和下游靜葉攻角的影響;蔡虎等[3]使用自行設(shè)計(jì)的葉輪機(jī)械通用計(jì)算程序GAP10對(duì)帶汽封結(jié)構(gòu)的反動(dòng)式透平級(jí)流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,分析了汽封泄漏流動(dòng)進(jìn)入葉柵通道與主流干涉后的動(dòng)葉通道流場(chǎng)結(jié)構(gòu);李軍等[4]對(duì)汽輪機(jī)汽封泄漏流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值研究.

目前,關(guān)于一級(jí)半透平級(jí)動(dòng)葉頂部間隙泄漏流與主流非定常摻混的試驗(yàn)測(cè)量非常困難,難以捕捉到流場(chǎng)細(xì)節(jié),因此通過(guò)數(shù)值方法來(lái)模擬透平級(jí)動(dòng)葉頂部間隙泄漏流與主流非定常摻混的流動(dòng)細(xì)節(jié),對(duì)于研究泄漏流動(dòng)損失的產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)理,提高透平級(jí)的氣動(dòng)性能具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值.筆者針對(duì)所設(shè)計(jì)的一級(jí)半透平,研究了考慮動(dòng)葉頂部間隙非定常泄漏流動(dòng)與主流相互作用的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)形態(tài),旨在掌握動(dòng)葉頂部非定常泄漏流動(dòng)的時(shí)空發(fā)展和透平級(jí)氣動(dòng)性能的變化規(guī)律.

1 計(jì)算模型和求解方法

表1為一級(jí)半透平的幾何參數(shù),汽封間隙值為0.25 mm.圖1為一級(jí)半透平計(jì)算域三維網(wǎng)格示意圖.計(jì)算域采用多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,兩列靜葉采用HOH型網(wǎng)格,動(dòng)葉采用O型網(wǎng)格,對(duì)動(dòng)葉頂部間隙汽封域進(jìn)行了多塊劃分及結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成,葉頂汽封網(wǎng)格進(jìn)出口與動(dòng)葉上端壁處網(wǎng)格采用非完全匹配方式(FNMB)進(jìn)行聯(lián)結(jié).壁面第一層網(wǎng)格y+＜10,總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)140萬(wàn).

數(shù)值計(jì)算采用商用軟件FINE/Turbo來(lái)求解三維非定常N-S方程.進(jìn)口給定總壓135000 Pa,進(jìn)口總溫315 K,進(jìn)氣方向?yàn)檩S向進(jìn)氣,出口給定平均靜壓101325 Pa,透平轉(zhuǎn)速為4950 r/min.在一個(gè)動(dòng)葉節(jié)距內(nèi)設(shè)置30個(gè)物理時(shí)間步,而在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)進(jìn)行60次內(nèi)循環(huán)迭代計(jì)算.計(jì)算采用S-A一方程湍流模型,空間差分采用Jameson提出的雙時(shí)間步隱式時(shí)間迭代方法.為加速收斂,首先進(jìn)行定常計(jì)算,再以此定常計(jì)算作為初場(chǎng)進(jìn)行非定常計(jì)算.在進(jìn)行定常計(jì)算時(shí)采用多重網(wǎng)格,結(jié)合變時(shí)間步長(zhǎng)以及隱式殘差光順?lè)椒ㄒ约铀偈諗?在非定常計(jì)算結(jié)果中選取 T01、T05、T10、T15、T20和 T25六個(gè)時(shí)刻點(diǎn)進(jìn)行非定常分析,T01為上一周期80%靜葉節(jié)距,T05為 0%靜葉節(jié)距,T10、T15、T20和 T25分別為20%、40%、60%和 80%靜葉節(jié)距.圖2為不同物理時(shí)刻動(dòng)靜葉排間的相對(duì)位置.

表1 一級(jí)半透平級(jí)幾何參數(shù)Tab.1 Geometric Parameters of the one and half turbine stage

圖1 一級(jí)半透平計(jì)算域三維網(wǎng)格示意圖Fig.1 Three-dimensional computational g rid of the one and half turbine stage

圖2 不同物理時(shí)刻動(dòng)靜葉的相對(duì)位置Fig.2 Relative position of rotor and stator at different phy sical times

2 結(jié)果與討論

2.1 泄漏流的熵變化

由于熵不依賴于任何坐標(biāo)系,因此在動(dòng)靜葉相互干涉中,熵的分布可以清楚地反映出泄漏流在下游靜葉通道中的運(yùn)動(dòng)軌跡.圖3為第二列靜葉85%葉高處的熵分布圖.根據(jù)不同時(shí)刻的熵分布圖可以看出汽封出口高熵區(qū)域在周向存在不均勻性.T01時(shí)刻,在通道中存在兩個(gè)比較明顯的高熵區(qū)域A和B,其中區(qū)域A為上游動(dòng)葉汽封泄漏流導(dǎo)致的高熵區(qū)域,B為上一周期泄漏流被吸力面前緣所截?cái)嘣趬毫γ鎮(zhèn)刃纬傻母哽貐^(qū)域.隨著動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)至不同位置,區(qū)域B的流體隨主流向下游發(fā)展,和主流摻混,其熵值不斷減小,并在橫向壓差的作用下向葉柵吸力面移動(dòng),當(dāng)?shù)竭_(dá)葉柵出口時(shí)已發(fā)展到占據(jù)整個(gè)節(jié)距通道.區(qū)域A的高熵流體熵值從T01時(shí)刻起不斷增加,在T10時(shí)刻時(shí),泄漏流到達(dá)靜葉吸力面附近,此時(shí)泄漏流核心距離靜葉前緣最近,泄漏流受靜葉前緣堵塞導(dǎo)致熵值升高并達(dá)到最大值,隨著泄漏流不斷沖擊到靜葉吸力面,動(dòng)葉頂部汽封出口泄漏流的熵值開(kāi)始不斷減小.

圖3 第二列靜葉85%葉高處?kù)胤植紙DFig.3 Entropy distribution at 85%span of the second stator

在T15時(shí)刻,泄漏流被靜葉前緣截?cái)喑葾和B兩部分高熵區(qū)域,大部分泄漏流沖擊至吸力面并在該區(qū)域形成堆積,導(dǎo)致吸力面在軸向弦長(zhǎng)很大區(qū)域內(nèi)熵值不斷增加,高熵值的低能流體在徑向壓差的作用下向葉柵中葉展方向移動(dòng),極大地改變了靜葉內(nèi)上部通道渦的發(fā)展,從而改變了葉柵二次渦系結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響氣動(dòng)性能和效率.在T20時(shí)刻泄漏流已經(jīng)全部堆積在吸力面,此時(shí)在吸力面狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)熵值達(dá)到最大值,在T25時(shí)刻隨著與通道主流的不斷摻混,其熵值開(kāi)始逐漸減少.

2.2 葉柵出口二次流泄漏流變化

圖4為第二列靜葉T05和T20時(shí)刻三維流線圖.從圖4中可得到高熵區(qū)域的來(lái)源以及各種渦系的發(fā)展過(guò)程.每幅圖中標(biāo)記了五個(gè)不同區(qū)域的流線來(lái)表達(dá)出口截面的高損失區(qū)域來(lái)源.流線1從葉柵上端壁開(kāi)始發(fā)展,形成葉柵上部通道渦;流線2由葉柵下端壁發(fā)展而來(lái),形成葉柵下部通道渦;流線3一直延伸到動(dòng)葉出口截面的高熵區(qū)域,為上游動(dòng)葉尾跡與二次渦系;流線4和流線5從腔室出口而來(lái),為泄漏流形成的泄漏渦.熵增定義:

圖4 第二列靜葉出口三維流線圖Fig.4 3D streamlines at exit of the second stator

式中:Δs為熵增;pref為參考?jí)毫?Tref為參考溫度;pT和TT為葉柵內(nèi)任一點(diǎn)的壓力和溫度;λ為比熱常數(shù) ,取1.4.

定義熵函數(shù)為e-Δs/R,其中壓力和溫度取相對(duì)值,參考?jí)毫蜏囟热⊥钙竭M(jìn)口總壓和總溫.從熵函數(shù)定義可知熵函數(shù)為減函數(shù),故熵函數(shù)值越大,表示流動(dòng)損失越小.

圖5為動(dòng)葉和第二列靜葉出口110%軸向弦長(zhǎng)熵函數(shù)沿葉高的分布圖.從圖5(a)可以看到,泄漏流對(duì)動(dòng)葉柵80%以上葉高損失沒(méi)有太大的影響,相反在80%葉高以下區(qū)域,熵函數(shù)變化相當(dāng)劇烈;在T10時(shí)刻和T15,30%葉高區(qū)域的損失最大,在T25時(shí)刻,該區(qū)域損失最小.從圖5(b)中也可以得到同樣的變化趨勢(shì),在第二列靜葉出口上端壁熵函數(shù)出現(xiàn)小范圍的波動(dòng),在T05時(shí)刻最小,在T20時(shí)刻達(dá)到最大值,但是遠(yuǎn)小于40%葉高以下區(qū)域的波動(dòng),同樣在T10時(shí)刻,由上游動(dòng)葉尾跡與二次流引起的損失最大,在T25時(shí)刻造成的損失最小.

圖5 動(dòng)葉和第二列靜葉出口熵函數(shù)分布Fig.5 Entropy distribution at exit of rotor and the second stato r

對(duì)比圖5(a)和圖5(b)發(fā)現(xiàn):當(dāng)動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)至不同位置時(shí),動(dòng)葉出口截面熵函數(shù)變化較劇烈的為75%葉高以下區(qū)域,第二列靜葉出口截面熵函數(shù)變化較劇烈的為50%葉高以下區(qū)域,且在第二列靜葉出口截面發(fā)生變化的只有上游動(dòng)葉的尾跡和二次渦系,泄漏流產(chǎn)生的泄漏渦位置和強(qiáng)度基本不變化.

圖6為第二列靜葉靠近葉片尾緣出口截面的二次流矢量與熵分布圖.泄漏流從汽封流出以后,形成與主流垂直的徑向流動(dòng),徑向流動(dòng)在與主流摻混時(shí)有較大的流動(dòng)損失并形成高熵區(qū)域.這部分低能流體在向下游發(fā)展時(shí)逐漸堆積在第二列靜葉吸力面(見(jiàn)圖3),在第二列靜葉通道中向下游發(fā)展并形成泄漏渦,并且在徑向壓力梯度的作用下向葉片中部移動(dòng),最終形成了圖6所示的渦系結(jié)構(gòu).在泄漏流流動(dòng)過(guò)程中,泄漏流出汽封與主流摻混的過(guò)程形成較大的損失對(duì)后續(xù)泄漏流動(dòng)在第二列靜葉出口的流動(dòng)形態(tài)占主導(dǎo)作用.

圖6中區(qū)域A為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的泄漏渦,區(qū)域D對(duì)應(yīng)第二列靜葉尾跡在泄漏流的排擠下被推至75%葉高以下區(qū)域,并與泄漏流摻混形成的高損失區(qū)域.區(qū)域E對(duì)應(yīng)第二列靜葉的下通道渦與尾跡摻混后形成的高損失區(qū)域,由于泄漏流的排擠,該區(qū)域更加靠近下端壁.從圖6(a)～圖6(f)中二次流矢量圖可見(jiàn),下通道渦并沒(méi)有形成明顯的渦旋狀態(tài).并且當(dāng)動(dòng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)至不同位置時(shí),泄漏渦和上下通道渦的強(qiáng)度和位置并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化.

圖6(a)～圖6(f)區(qū)域C的熵值變化較為明顯,從T01時(shí)刻起影響區(qū)域不斷增大,在T05時(shí)刻占據(jù)出口截面較大的區(qū)域,且熵值較高,在T15時(shí)刻后再開(kāi)始逐漸減少,整個(gè)周期內(nèi)動(dòng)葉尾跡與二次流的存在區(qū)域也只是在60%葉高以下區(qū)域.通過(guò)以上分析,由于泄漏流的排擠作用,第二列靜葉上下通道渦被壓制在靠近端壁的狹小區(qū)域內(nèi),泄漏流雖然對(duì)透平的損失和效率影響較大,但是在動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)至不同位置時(shí),其大小和位置卻沒(méi)有太大的變化.因此引起透平效率非定常周期性變化原因是上游動(dòng)葉尾跡與通道渦二次流的作用.

圖6 第二列靜葉出口截面二次流與熵分布圖Fig.6 The second flow and entropy distribution at exit of the second stator

2.3 第二列靜葉脈動(dòng)速度場(chǎng)

泄漏流的速度遠(yuǎn)低于主流,因此當(dāng)氣流從相對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)入到絕對(duì)坐標(biāo)系時(shí)將會(huì)產(chǎn)生速度差異,在相同的橫向壓差下更容易發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而形成由葉片壓力面指向吸力面的負(fù)射流,在負(fù)射流兩側(cè)有一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦矢量[5].因此通過(guò)分析第二列靜葉的脈動(dòng)速度場(chǎng)可以確定泄漏流產(chǎn)生的渦矢量在第二列靜葉中的運(yùn)動(dòng)形態(tài).

筆者采用計(jì)算模型研究了汽封間隙從0.25～1.00 mm變化時(shí),泄漏流對(duì)動(dòng)葉出口徑向相對(duì)速度值和相對(duì)出口氣流角的影響.圖7為動(dòng)葉出口徑向相對(duì)速度和相對(duì)出口氣流角沿葉高的分布圖.從圖7(a)中可以看到,當(dāng)汽封間隙大小為0.25 mm時(shí),泄漏流產(chǎn)生的徑向速度在90%葉高處不超過(guò)2 m/s,在60%葉高以下區(qū)域的徑向速度基本不變;圖7(b)中,在85%葉高以上區(qū)域不同間隙值形成的泄漏流對(duì)出口氣流角有較大影響,而在60%葉高以下區(qū)域,氣流角基本不變.因此隨著汽封間隙的變大,泄漏流產(chǎn)生的徑向流動(dòng)速度逐漸增加,且引起主流在葉頂部分的氣流偏轉(zhuǎn)也逐漸增加.

圖7 不同間隙下動(dòng)葉出口徑向速度和出口氣流角分布Fig.7 Radial velocity and yaw angle at exit of roto r under different clearance conditions

圖8為動(dòng)葉不同葉高處相對(duì)速度由于速度差異形成負(fù)射流的示意圖.圖8中U為圓周速度,V為絕對(duì)速度,W為相對(duì)速度.圖8(a)為泄漏流與主流摻混后形成的混合流與主流速度差異形成的負(fù)射流,圖8(b)為尾跡與主流差異形成的負(fù)射流.從圖8可以看到,由混合流與主流速度差異形成的負(fù)射流強(qiáng)度大小明顯大于尾跡與主流速度差異形成的負(fù)射流強(qiáng)度.因此形成的對(duì)轉(zhuǎn)渦將更加靠近葉柵吸力面.

圖8 速度差異形成負(fù)射流示意圖Fig.8 Different velocity triangles

圖9為第二列靜葉85%葉高處的脈動(dòng)速度矢量圖.在T01時(shí)刻,在流道中間有兩對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦系結(jié)構(gòu),其中A、B區(qū)域的渦為泄漏流產(chǎn)生的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦矢量,C、D區(qū)域的渦為上一周期產(chǎn)生的渦矢量.其中A區(qū)域渦矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),B區(qū)域渦矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn),箭頭方向?yàn)樨?fù)射流方向.區(qū)域B中順時(shí)針的渦隨著動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn),其核心不斷向靜葉吸力面靠攏.從T01時(shí)刻至T10時(shí)刻,區(qū)域B的渦沿吸力面向下游移動(dòng),在T15時(shí)刻泄漏流移動(dòng)到葉片吸力面,因而可以看到兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦A、B出現(xiàn)在吸力面附近.從T20時(shí)刻起,兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦就一直沿著吸力面向下游移動(dòng),在移動(dòng)過(guò)程中與主流不斷進(jìn)行摻混而導(dǎo)致其強(qiáng)度逐漸降低.另外在T20時(shí)刻,由于泄漏流已大部分進(jìn)入葉柵通道且被壓制在靠近葉片吸力面一側(cè),動(dòng)葉尾跡從泄漏流脫離并進(jìn)入第二列靜葉通道.在區(qū)域B的左邊,出現(xiàn)一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦系E,對(duì)應(yīng)于第二列動(dòng)葉的尾跡到達(dá)葉片前緣.在 T25時(shí)刻,在E的左側(cè)出現(xiàn)一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦系F,對(duì)應(yīng)于動(dòng)葉尾跡順時(shí)針的渦系.可見(jiàn),在85%葉高區(qū)域,動(dòng)葉尾跡影響區(qū)域和時(shí)間都非常有限,泄漏流在該區(qū)域起主導(dǎo)作用,對(duì)透平氣動(dòng)性能有較大影響.泄漏流對(duì)轉(zhuǎn)渦核心區(qū)域一直被壓制在吸力面附近,影響第二列靜葉85%葉高邊界層內(nèi)靜壓與熵的分布.對(duì)比負(fù)射流與葉片吸力面的夾角發(fā)現(xiàn):當(dāng)泄漏流進(jìn)入靜葉通道時(shí),負(fù)射流與靜葉吸力面有一定的夾角;隨著時(shí)間的推移,該負(fù)射流角度朝垂直于吸力面的方向發(fā)生變化,在T20時(shí)刻基本與吸力面垂直;而上一周期兩個(gè)對(duì)轉(zhuǎn)渦C、D之間的負(fù)射流當(dāng)動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)至不同位置時(shí)基本與葉片吸力面垂直.

圖9 第二列靜葉85%葉高處脈動(dòng)速度矢量圖Fig.9 Fluctuating velocity field at 85%span of the second stator

圖10為第二列靜葉50%葉高處脈動(dòng)速度矢量圖.在50%葉高處脈動(dòng)速度主要是由動(dòng)葉尾跡引起的.動(dòng)葉尾跡產(chǎn)生的對(duì)轉(zhuǎn)渦核心基本在主流通道中間,在向下游發(fā)展過(guò)程中不斷與主流進(jìn)行摻混而使其強(qiáng)度逐漸降低.

2.4 泄漏流對(duì)第二列靜葉邊界層干涉

圖10 第二列靜葉50%葉高處脈動(dòng)速度矢量圖Fig.10 Fluctuating velocity field at 50%span of the second stator

對(duì)透平機(jī)械而言,壓力是否隨時(shí)間變化是區(qū)分定常計(jì)算與非定常計(jì)算的主要依據(jù)[6].因此尋求氣流熵值與壓力之間的耦合關(guān)系是揭示氣流在非定常流場(chǎng)中損失機(jī)理的關(guān)鍵[7-8].圖11為第二列靜葉不同葉高處葉片吸力面第二層網(wǎng)格dp/dt時(shí)空?qǐng)D.為方便進(jìn)行分析,將葉柵吸力面沿弦長(zhǎng)歸一化處理并作為橫坐標(biāo),其中0為葉片前緣,1為葉片尾緣;將動(dòng)葉通過(guò)靜葉的不同位置進(jìn)行歸一化處理并作為縱坐標(biāo),表示通過(guò)的時(shí)間序列.從圖11可以看到,dp/dt呈現(xiàn)周期性的變化,且在葉柵通道的不同位置dp/dt的幅值明顯不同.在85%葉高區(qū)域,葉柵通道在20%軸向弦長(zhǎng)附近dp/dt較大,另外在80%軸向弦長(zhǎng)附近同樣也出現(xiàn)dp/dt幅值區(qū)域,但相比20%軸向弦長(zhǎng)附近其幅值較小.在50%葉高區(qū)域,dp/dt相比85%葉高處降低了50%左右,并且dp/dt幅值出現(xiàn)在葉片靠近50%軸向弦長(zhǎng)附近,在葉柵前緣和尾緣處,也同樣存在著波動(dòng),但其值相比50%軸向弦長(zhǎng)附近要小得多.

圖11 不同葉高dp/dt圖Fig.11 Distance-time distribution of dp/dt for blade of different spans

靜壓波動(dòng)不僅影響氣動(dòng)性能,對(duì)葉柵強(qiáng)度影響也較大.在85%葉高處,由于泄漏流的影響,使較薄的葉柵前緣承受較大的交替變化的壓力脈動(dòng),極易造成葉柵的變形.而50%葉高處,壓力波動(dòng)出現(xiàn)在葉片較厚的葉柵中部,對(duì)葉柵強(qiáng)度的影響比85%葉高處要小.

圖12為不同葉高處葉柵表面第二層網(wǎng)格上ds/dt時(shí)空?qǐng)D.圖12中橫縱坐標(biāo)與圖11的一致.從圖12(a)和圖12(b)中可以看到,ds/dt同樣呈現(xiàn)周期性的變化.在85%葉高處,ds/dt在70%和10%軸向弦長(zhǎng)附近出現(xiàn)幅值,且在70%附近ds/dt幅值大于10%附近的幅值.在50%葉高處,60%軸向弦長(zhǎng)附近也同樣出現(xiàn)ds/dt幅值區(qū)域,但其 ds/dt比85%葉高處小.由此可見(jiàn),泄漏流對(duì)第二列靜葉85%葉高吸力面尾部損失有較大的影響,對(duì)吸力面前緣損失影響相對(duì)較小,可能是由于在動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)至不同位置時(shí),在85%葉高靜葉前緣均存在大量堆積的泄漏流體而導(dǎo)致ds/dt變化較小.

圖12 不同葉高ds/dt圖Fig.12 Distance-time distribution of ds/dt for blade of different spans

通過(guò)對(duì)比dp/dt與ds/dt發(fā)現(xiàn),當(dāng)dp/dt的絕對(duì)值增加時(shí),ds/dt的絕對(duì)值呈現(xiàn)減少變化.說(shuō)明壓力增加但該區(qū)域的熵值卻減少.但 50%葉高處與85%葉高處dp/dt與ds/dt幅值的變化規(guī)律有所不同.在 85%葉高處,dp/dt較大時(shí),ds/dt較小,兩者變化相反;而50%葉高處,dp/dt較大時(shí),ds/dt較大.造成這種現(xiàn)象可能是在不同葉高處引起dp/dt變化的原因不同,在85%葉高處主要是由泄漏流引起;而在50%葉高處主要為勢(shì)干涉引起的,靜壓波動(dòng)導(dǎo)致吸力面邊界層內(nèi)熵值發(fā)生波動(dòng),且靜壓波動(dòng)與熵值波動(dòng)隨時(shí)間正相關(guān).

為了進(jìn)一步說(shuō)明85%葉高處?kù)o壓與熵的關(guān)系,筆者計(jì)算了第二列靜葉85%葉高處吸力面沿流動(dòng)方向上任意兩點(diǎn)的靜壓與熵值脈動(dòng)圖(圖13).從圖13(a)中可以看到:從上游到下游,靜壓波動(dòng)值逐漸減小,且傳播方向?yàn)閺纳嫌沃料掠?對(duì)比圖13(a)和圖13(b)可以看到,當(dāng)靜壓波動(dòng)值達(dá)到極大值時(shí),熵波動(dòng)值在相應(yīng)位置上卻出現(xiàn)極小值.但當(dāng)壓力脈動(dòng)峰值較高時(shí)(點(diǎn)1),其熵值波動(dòng)卻比較小,當(dāng)壓力脈動(dòng)值小時(shí)(點(diǎn)2),其熵值波動(dòng)卻比較大.

2.5 汽封內(nèi)部靜壓波動(dòng)

圖13 85%葉高處不同點(diǎn)壓力脈動(dòng)與熵脈動(dòng)圖Fig.13 Fluctuating curves of pressure and entropy at different points of 85%span

圖14為汽封內(nèi)從進(jìn)口至出口選取4個(gè)不同固定點(diǎn)的壓力脈動(dòng)圖.圖14中橫坐標(biāo)表示動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)至靜葉節(jié)距的30個(gè)不同位置,通過(guò)動(dòng)葉相對(duì)靜葉的不同位置表示時(shí)間序列,為了方便分析將其進(jìn)行了擴(kuò)展一個(gè)周期,縱坐標(biāo)為壓力脈動(dòng)值,脈動(dòng)壓力定義為瞬時(shí)壓力值和時(shí)均壓力值之差.從圖14可以看出:當(dāng)動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)至不同位置時(shí),各點(diǎn)壓力脈動(dòng)均呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律,且在進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)峰值最小;隨著泄漏流向下游發(fā)展,各點(diǎn)脈動(dòng)壓力峰值逐漸增大,在出口處其壓力脈動(dòng)峰值最大.箭頭方向?yàn)閴毫Σ▌?dòng)傳遞的方向,可見(jiàn)在汽封內(nèi)部,壓力傳播方向?yàn)閺南掠沃赶蛏嫌?與動(dòng)葉內(nèi)壓力的傳播方向相反.

圖14 汽封內(nèi)不同點(diǎn)壓力脈動(dòng)圖Fig.14 Fluctuating curves of pressure at different points in gland seal

3 結(jié) 論

(1)動(dòng)葉頂部間隙泄漏流呈現(xiàn)周期性的變化,泄漏流的低能流體到達(dá)第二列靜葉前緣并堆積,并導(dǎo)致在85%葉高處邊界層內(nèi)dp/dt和ds/dt產(chǎn)生與50%葉高處完全不同的分布規(guī)律.

(2)當(dāng)動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)至不同位置時(shí),在第二列靜葉出口截面發(fā)生變化的只有上游動(dòng)葉的尾跡和二次渦系,泄漏流產(chǎn)生的泄漏渦位置和強(qiáng)度基本不變化.

(3)動(dòng)葉頂部間隙汽封內(nèi)靜壓波動(dòng)呈現(xiàn)周期性的變化,從進(jìn)口到出口,靜葉波動(dòng)逐漸增加,在汽封內(nèi)部,壓力傳播方向從下游指向上游.

[1]GIER J,STUBERT B,BERNAND B,et al.Interaction of shroud leakage flow and main flow in a threestage LP turbine[J].Journal of Turbomachinery,2005,127(4):649-68.

[2]ANKER J E,M AYER J F.Simulation of the interaction of labyrinth seal leakage flow and main flow in an axial turbine[C]//The Porceeding of ASME Conference 2002,Volume 5:Turbo Expo 2002,Parts A and B.Amsterdam,Netherlands,2002,217-224.

[3]蔡虎,朱斌,蔣洪德,等.汽封泄漏流動(dòng)對(duì)透平葉片級(jí)通道主流影響的數(shù)值研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2001,22(3):209-293.CAI Hu,ZHU Bin,JIANG Hongde,etal.Numerical investigation into the interaction between turbine seal leakage and main path flow[J].Journal of Engineering Thermophysics,2001,22(3):209-293.

[4]李軍,晏鑫,陳中凱,等.高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)隔板密封內(nèi)流體流動(dòng)的模擬[J].動(dòng)力工程,2006,26(3):329-332.LI Jun,YAN Xin,CHENG Zhongkai,et al.Simulation of flow within stepped labyrinth seals of diaphragm in steam turbine under high rotating speed conditions[J].Journal of Power Engineering,2006,26(3):329-332.

[5]MOCZALA M,VON LAVANTE E,PARVIZINIA M.Numerical investigation of loses due to unsteady effects in axial turbines[C]//The Porceeding of ASME Conference 2003,Volume 6:TurboExpo2003,Parts A and B.Atlanta,USA,2003,1029-1037.

[6]YAO Jixian,CARSON S.HPT/LPT interaction and flow management in the inter-turbine space of a modern axial flow turbine[C]∥The Porceeding of ASME Conference 2006,Volume 6:Turbomachinery 2006,Parts A and B.Barcelonan,Spain,2003,1783-1795.

[7]石龑,李少軍,鄧清華,等.透平級(jí)軸向間隙對(duì)非定常流動(dòng)干涉影響的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,43(9):9-13.SHI Yan,LI Shaojun,DENG Qinghua,et al.Study on influence of axial clearance on unsteady flow in turbine stage[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,2009,43(9):9-13.

[8]石龑,鄧清華,李軍,等.一級(jí)半軸流式透平的非定常流動(dòng)干涉與時(shí)序效應(yīng)[J].動(dòng)力工程,2009,29(2):111-116.SHI Yan,DENG Qinghua,LI Jun,et al.Interaction and clocking effect of unsteady flow in one and half axial-flow turbine stage[J].Journal of Power Engineering,2009,29(2):111-116.