汪永陽(yáng)，杜禮明，李 成，李文嬌

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

渦輪機(jī)械中，在葉輪動(dòng)葉葉頂和壁端之間留有尺度很小的間隙以避免摩擦，該間隙過小，將可能導(dǎo)致葉輪葉片刮碰輪緣，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)葉輪葉片折斷等重大事故;該間隙過大，則會(huì)引起間隙流動(dòng)損失過大，影響渦輪機(jī)級(jí)性能［1］.不僅如此，軸流渦輪機(jī)的壓力和溫度與葉頂間隙也有直接關(guān)系.因此，葉頂間隙尺寸的大小是關(guān)系到渦輪機(jī)性能的一個(gè)重要因素［2-4］.

Wiseman［5］指出，對(duì)于高壓渦輪的葉頂間隙而言，葉頂間隙的大小每增加0.254 mm，其燃油消耗率將近似增加1%，并且排氣溫度隨之增加10℃.美國(guó)的GE公司也對(duì)相關(guān)型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行過研究和分析，指出渦輪葉片的葉頂間隙所引起的耗油率的損失約占總損失的67%［6］.20世紀(jì)70年代開始，美國(guó)宇航局研究中心等研究機(jī)構(gòu)都先后在葉頂間隙控制的不同領(lǐng)域開展了大量試驗(yàn)工作，所取得的成果已在多種發(fā)動(dòng)機(jī)中得到應(yīng)用.國(guó)內(nèi)在此方面也取得了一些成果，如豈興明等［7］利用有限元分析軟件分析了某型高壓渦輪葉頂間隙在不同工況下隨時(shí)間的變化.漆文凱等［8］采用數(shù)值分析法分析了渦輪葉頂間隙的變化規(guī)律.

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于葉頂間隙影響壓氣機(jī)性能的研究較多，但對(duì)其影響渦輪機(jī)氣動(dòng)性能的研究還較少.本文采用數(shù)值方法研究在渦輪機(jī)整級(jí)環(huán)境下葉輪葉頂間隙的大小對(duì)該渦輪機(jī)性能及其內(nèi)部流動(dòng)損失的影響，并分析產(chǎn)生影響的原因，藉此為高性能渦輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考.

1 仿真模型與網(wǎng)格劃分

1.1 仿真模型

研究對(duì)象為某船用燃?xì)馐捷S流渦輪機(jī).仿真模型包括燃?xì)膺M(jìn)氣殼、噴嘴環(huán)、葉輪和葉輪罩，噴嘴環(huán)和葉輪的數(shù)目分別為24和45，其葉輪半徑為182.161 9 mm，噴嘴環(huán)葉片葉高為 42.35 mm.其中，葉輪頂端與輪緣之間存在一定間隙.本文主要就是研究這種間隙對(duì)渦輪參數(shù)性能的影響，研究中設(shè)置了三種葉頂間隙，分別是 0.5 mm，0.96mm 和1.44 mm.除葉頂間隙不同外，各模型中其他結(jié)構(gòu)和邊界條件均相同，圖1為該軸流式渦輪的幾何模型.

圖1 軸流式渦輪機(jī)幾何模型

1.2 數(shù)值方法與網(wǎng)格劃分

采用NUMECA的FINE/Turbo求解定常三維RANS方程，選取理想氣體為流動(dòng)介質(zhì)，湍流模型選用Spalart-Allmaras一方程模型，離散格式采用二階Jameson中心格式，并采用四階時(shí)間推進(jìn)方法結(jié)合當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)和多重網(wǎng)格技術(shù)加快求解速度，轉(zhuǎn)靜子交界面采用域平均方法進(jìn)行處理.

網(wǎng)格模型的建立采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，首先在AUTOGRID5模塊中自動(dòng)生成實(shí)體網(wǎng)格，然后在B2B網(wǎng)狀拓?fù)淇刂浦姓{(diào)節(jié)網(wǎng)格點(diǎn)，以消除負(fù)網(wǎng)格和重疊性網(wǎng)格.網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為SKIN型，各排葉片壁面采用的是O型網(wǎng)格，其余的采用H型網(wǎng)格.最小正交角度大于5°，最大延展比小于10，網(wǎng)格最大網(wǎng)格長(zhǎng)寬比滿足要求.

為防止氣流擾動(dòng)，適當(dāng)延長(zhǎng)渦輪進(jìn)出口長(zhǎng)度.該軸流式渦輪機(jī)的進(jìn)口邊界設(shè)置為進(jìn)口速度方向、流量和總溫，由于大多數(shù)的渦輪機(jī)的出口直接與大氣相連，故出口的邊界設(shè)置為給定出口靜壓.輪盤、葉片表面等固體壁面為絕熱邊界條件，葉輪區(qū)域?yàn)橹芷谛赃吔鐥l件.渦輪機(jī)在額定工況即轉(zhuǎn)速為25 956 r/min，質(zhì)量流量為4.0 kg/s運(yùn)行，渦輪入口溫度為935 K，入口端氣體壓力為276 552 Pa.

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 性能參數(shù)對(duì)比

表1為渦輪機(jī)在額定工況運(yùn)行時(shí)三種葉頂間隙下級(jí)性能相關(guān)參數(shù)對(duì)比.由表可知，葉頂間隙對(duì)膨脹比的影響很小，而對(duì)渦輪機(jī)的效率影響不可忽略，間隙為0.96 mm的效率比間隙0.5 mm的稍高0.2%，比間隙1.44 mm 的高1.06%.為進(jìn)一步分析不同間隙對(duì)渦輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的影響，有必要通過對(duì)比葉頂間隙及整個(gè)級(jí)環(huán)境內(nèi)部相關(guān)流場(chǎng)的溫度、壓力以及熵值分布和流體的速度分布情況.

表1 額定工況下渦輪性能對(duì)比

2.2 性能對(duì)比

圖2所示為不同葉頂間隙對(duì)渦輪內(nèi)溫度的影響，由于對(duì)其他部位影響不明顯，故只放大圖中黑圈處，圖3～圖5中同此處理，不再贅述.高溫氣體流經(jīng)噴嘴環(huán)到達(dá)葉輪葉頂間隙后，整個(gè)渦輪級(jí)環(huán)境的溫度有所下降，但高溫氣體流過間隙時(shí)，由于氣體與壁端之間摩擦加劇及氣流膨脹等因素的影響，間隙內(nèi)局部溫度發(fā)生變化.葉頂間隙由0.5mm增至0.96 mm時(shí)，間隙內(nèi)高溫區(qū)域有收窄趨勢(shì)，而當(dāng)葉頂間隙由0.96 mm增至1.44 mm時(shí)，間隙內(nèi)高溫區(qū)域明顯增寬.對(duì)于葉輪機(jī)械而言，相同入口條件下內(nèi)部局部溫度過高將導(dǎo)致渦輪機(jī)的機(jī)械性能及使用壽命下降.

圖2 葉頂間隙對(duì)渦輪內(nèi)溫度的影響

圖3為噴嘴環(huán)前緣局部壓力分布的對(duì)比.由于葉頂間隙不同，高溫氣體在從渦輪進(jìn)口經(jīng)過噴嘴環(huán)葉片流向葉輪，氣流最先流經(jīng)噴嘴環(huán)前緣，持續(xù)的高溫氣流撞擊導(dǎo)致了噴嘴環(huán)前緣的壓力較大;葉頂間隙不同，流經(jīng)此處時(shí)氣體的流速也不同，噴嘴環(huán)前緣的高壓力區(qū)域因此也有所不同.從該圖可知，當(dāng)葉頂間隙由0.5 mm增大到0.96 mm時(shí)，噴嘴前緣的高壓力集中區(qū)消失，而當(dāng)葉頂間隙由0.96 mm增大到1.44 mm時(shí)，局部高壓分布區(qū)又重新出現(xiàn).表明，葉頂間隙過小和過大都會(huì)導(dǎo)致噴嘴環(huán)前緣高壓力區(qū)的產(chǎn)生，不利于渦輪機(jī)的安全運(yùn)行.

圖3 噴嘴環(huán)前緣局部壓力分布對(duì)比

2.3 間隙對(duì)噴嘴環(huán)局部流場(chǎng)流動(dòng)損失的影響

圖4為三種葉頂間隙下噴嘴后緣底部及噴嘴環(huán)吸力面的局部熵值分布.從圖中可知，0.5 mm間隙和0.96 mm間隙時(shí)，噴嘴環(huán)吸力面的高熵值區(qū)面積較小，表明燃?xì)饽芰繐p失較小;而氣流流經(jīng)1.44 mm間隙時(shí)，噴嘴環(huán)吸力面局部高熵值區(qū)域面積明顯比0.5 mm和0.96 mm間隙大，表明此處氣流能量損失較大.可見，噴嘴環(huán)局部流場(chǎng)流動(dòng)損失隨著葉頂間隙的增大而增大.

圖4 噴嘴環(huán)局部熵值對(duì)比

2.4 間隙處流場(chǎng)流動(dòng)損失

圖5為不同葉頂間隙內(nèi)熵值的分布情況.當(dāng)葉頂間隙由0.5 mm增大到0.96 mm時(shí)，間隙內(nèi)高熵值區(qū)域面積相差不大，但間隙為0.96 mm時(shí)次高熵值區(qū)明顯較寬;當(dāng)葉頂間隙增至1.44 mm時(shí)，間隙內(nèi)高熵值區(qū)域面積明顯增寬.由此可知，隨著葉頂間隙增大，間隙內(nèi)高熵值區(qū)域逐漸變大，造成葉頂間隙內(nèi)的流動(dòng)損失增大.

圖5 間隙內(nèi)熵值分布對(duì)比

由于葉頂間隙相對(duì)于葉高很小，故研究中選擇接近葉頂?shù)?8%葉高處的截面.結(jié)果表明，三種間隙下氣流在葉輪前緣及葉輪吸力面前端都出現(xiàn)了一定程度上的回流和漩渦流動(dòng)，且當(dāng)氣流離開葉輪時(shí)在葉輪后緣處出現(xiàn)較大的回流，由于高溫高壓的氣體具有粘性，使得氣流之間的相互作用加劇，導(dǎo)致氣流能量發(fā)生損失.

3 結(jié)論

采用數(shù)值方法研究了軸流式渦輪機(jī)在額定工況下葉頂間隙對(duì)渦輪機(jī)性能及其內(nèi)部流動(dòng)損失的影響，結(jié)果表明，表明葉頂間隙對(duì)渦輪機(jī)級(jí)性能的影響比較明顯，具體表現(xiàn)為:

(1)葉頂間隙的大小直接影響著噴嘴環(huán)前緣壓力的分布，過小和過大的葉頂間隙都會(huì)導(dǎo)致噴嘴環(huán)前緣高壓力區(qū)的產(chǎn)生，不利于渦輪機(jī)的安全運(yùn)行;

(2)葉頂間隙對(duì)渦輪內(nèi)的溫度分布影響較明顯，過小和過大的葉頂間隙都會(huì)導(dǎo)致渦輪內(nèi)局部高溫度區(qū)的產(chǎn)生;

(3)隨著葉頂間隙的增大，噴嘴環(huán)后緣底部、噴嘴環(huán)吸力面局部及葉頂間隙內(nèi)高熵區(qū)隨之增大，燃?xì)饽芰繐p失增大.

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