先進(jìn)動(dòng)葉平面葉柵試驗(yàn)和數(shù)值分析

平艷， 田朝陽(yáng)， 江生科， 王霜露， 鐘主海， 張曉東， 楊長(zhǎng)柱

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000）

1 前言

汽輪機(jī)通流是汽輪機(jī)組的核心部分， 通流級(jí)的氣動(dòng)性能直接影響汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。 從圖1可以看出， 型損、 二次流占據(jù)了很大比重。 減少通流級(jí)的葉型損失、 降低葉片通道中的二次流損失等通流設(shè)計(jì)技術(shù)是提升通流氣動(dòng)性能的關(guān)鍵，因此葉片的設(shè)計(jì)是保證汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵所在。

圖1 汽輪機(jī)主要損失構(gòu)成圖

葉型損失主要包括葉型周圍邊界層中的摩擦損失、 尾跡損失和沖波損失。 端損主要包括端部的摩擦損失以及二次流損失， 在總損失中占有較大比重， 因此控制二次流損失是提升通流效率的關(guān)鍵。 二次流的形成是因?yàn)橥ǖ姥貦M向存在壓力梯度， 位于端壁邊界層內(nèi)的流體由于動(dòng)能較小，無(wú)法平衡橫向壓差的作用， 導(dǎo)致邊界層內(nèi)的流體從葉片內(nèi)弧面流向背弧面， 如圖2 所示。

圖2 葉型端部損失

準(zhǔn)確模擬葉型內(nèi)部流場(chǎng)的真實(shí)情況并獲得損失來(lái)源能夠有效指導(dǎo)葉型的設(shè)計(jì)工作， 而平面葉柵風(fēng)洞試驗(yàn)是獲得葉柵氣動(dòng)性能及攻角特性的常規(guī)試驗(yàn)手段， 它能夠提供詳盡的葉片氣動(dòng)性能及葉片表面壓力分布， 并對(duì)數(shù)值分析程序不能準(zhǔn)確處理的問(wèn)題如附面層轉(zhuǎn)捩和激波處理提供數(shù)據(jù)積累。 現(xiàn)在亞音速汽輪機(jī)葉片的平面葉柵試驗(yàn)已經(jīng)很成熟， 國(guó)內(nèi)外逐步對(duì)跨音速和超音速葉型進(jìn)行平面葉柵試驗(yàn)， 研究跨音速和超音速葉型的氣動(dòng)性能。 平面葉柵試驗(yàn)臺(tái)主要由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、 擴(kuò)壓段、 整流器、 穩(wěn)流段、 收縮段、 試驗(yàn)段和測(cè)針位移機(jī)構(gòu)組成， 試驗(yàn)段出口可以根據(jù)不同試驗(yàn)需求對(duì)上下導(dǎo)板垂直方向進(jìn)行微調(diào)， 改變?cè)囼?yàn)段出口面積。 設(shè)備本體用于安裝、 調(diào)整試驗(yàn)段、 固定位移機(jī)構(gòu)等。 通過(guò)蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)調(diào)整葉柵進(jìn)汽角，實(shí)現(xiàn)葉型的變攻角特性設(shè)計(jì)。

相對(duì)于過(guò)去的動(dòng)葉葉型， 目前公司大部分改造和預(yù)設(shè)機(jī)組的動(dòng)葉葉型均選用自主研發(fā)的第三代葉型， 但是對(duì)于不同動(dòng)葉葉型的型損特性和端損特性的對(duì)比情況還缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)， 因此需對(duì)其進(jìn)行平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)， 以確定其性能。 與靜葉相比， 動(dòng)葉的入口角一般較小， 須對(duì)其攻角適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證。 現(xiàn)代流體力學(xué)研究的手段不外乎三種： 理論分析、 試驗(yàn)研究和計(jì)算流體力學(xué)方法。三者各有所長(zhǎng)， 相互配合， 相互補(bǔ)充， 相互促進(jìn)，共同推進(jìn)流體力學(xué)研究的發(fā)展， 解決各種工程實(shí)踐問(wèn)題。 本文選擇的二維計(jì)算程序進(jìn)行CFD 計(jì)算， 具有操作簡(jiǎn)單、 收斂快的優(yōu)點(diǎn)， 能夠?qū)ΧS葉型做快速評(píng)估， 但其與試驗(yàn)是否符合并未進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證， 本文借助對(duì)動(dòng)葉葉型進(jìn)行平面葉柵試驗(yàn)的機(jī)會(huì)驗(yàn)證該二維程序正確性， 進(jìn)而減小二維評(píng)估的工作量， 為后續(xù)葉型設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作有指導(dǎo)意義。

2 計(jì)算模型、 網(wǎng)格劃分方式及數(shù)值方法

2.1 計(jì)算模型

3 種不同動(dòng)葉葉型分別以 A、 B、 C 表示， 葉型示意圖如圖3 所示。

圖3 3 種動(dòng)葉葉型示意圖

2.2 數(shù)值方法

在保證相同弦長(zhǎng)且截面均為設(shè)計(jì)相對(duì)節(jié)距的前提下， 選取 D/Dk=1.0、 1.1、 1.2、 1.3、 1.4 截面作為計(jì)算所選取截面， 以馬赫數(shù)在 0.2～0.9、 攻角±40°之間變化為變工況計(jì)算條件。 通過(guò)專業(yè)二維數(shù)值計(jì)算方法確定各動(dòng)葉型線的損失情況及變工況性能， 對(duì)比葉型/自主研發(fā)葉型的能量損失情況， 并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)做對(duì)比。 計(jì)算工質(zhì)使用空氣， 在計(jì)算過(guò)程中， 給定葉片進(jìn)口氣流角、 湍流強(qiáng)度和出口馬赫數(shù)的變化范圍。 本次研究重點(diǎn)關(guān)注不同葉型的攻角特性。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同葉型的變攻角特性

在保證2%相同入口湍流度、 馬赫數(shù)為0.7 的前提下， 利用二維計(jì)算軟件對(duì)3 種不同葉型不同截面處的型損進(jìn)行對(duì)比分析。 圖4-6 分別為A、B、 C 3 種動(dòng)葉葉型在不同截面處二維計(jì)算和試驗(yàn)的變攻角特性。

圖4 A 動(dòng)葉葉型不同截面高度處變攻角特性

圖5 B 動(dòng)葉葉型不同截面高度處變攻角特性

圖6 C 動(dòng)葉葉型不同截面高度處變攻角特性

從圖中可以看出， 在D/Dk=1.0 截面即根部截面處， 葉型損失最大， 變攻角特性葉最差， 隨著截面高度的增加葉型損失逐步減小， 攻角特性也開(kāi)始逐步得到改善， 在D/Dk=1.3 處A 葉型的損失最低且正負(fù)攻角特性最好， 截面高度繼續(xù)增加至D/Dk=1.4 處時(shí)損失稍微增加。

相同截面不同葉型進(jìn)行對(duì)比來(lái)看， 在D/Dk=1.0 截面即根部截面處， ±10°的攻角范圍內(nèi)， C 葉型的葉型損失最小， A 葉型損失最大， B 介于兩者之間， 正攻角繼續(xù)增大至大于10°時(shí)， C 葉型在攻角適應(yīng)性方面的優(yōu)勢(shì)更為明顯， 負(fù)攻角繼續(xù)增大至小于-10°時(shí)， B 葉型的攻角適應(yīng)性明顯優(yōu)于A 和C 葉型， C 葉型的葉型損失急劇增大， 在小于-20°時(shí)， 葉型損失明顯高于其他葉型。

D/Dk=1.1 截面處， -10°至+10°攻角范圍內(nèi)， C葉型葉型損失最小， 其他葉型差別不大， 正攻角大于 10°時(shí)， B 葉型損失最小， 負(fù)攻角小于-20°時(shí)， B 和 A 的負(fù)攻角適應(yīng)性明顯優(yōu)于C 葉型， 其中B 的葉型損失更小。

在D/Dk=1.2 截面處， 整體B 葉型損失最小，變攻角性能最好， -60°至+10°攻角范圍內(nèi)， C 葉型損失小于A， 隨著正攻角的增大， 葉型損失急劇增大， 攻角適應(yīng)性變差。

在 D/Dk=1.3 截面處， -30°至+10°攻角范圍內(nèi)，C 葉型損失最小， A 葉型損失最大， B 介于兩者之間； 負(fù)攻角進(jìn)一步降低到-30°以下， C 葉型損失明顯增大， 在攻角小于-50°時(shí)， C 葉型損失明顯大于另外2 種葉型。

D/Dk=1.4 截面處， B 的正攻角特性優(yōu)于A、 C葉型， 而負(fù)攻角大于30°時(shí)，C 葉型損失明顯增大。

試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致， 根截面無(wú)論變攻角特性還是能量損失方面都相對(duì)較差。 進(jìn)一步說(shuō)明， 采用二維專業(yè)軟件計(jì)算的葉型損失結(jié)果也是比較可信的。

3.2 變馬赫數(shù)研究

在保證2%相同入口湍流度、 零攻角的前提下， 利用二維專業(yè)軟件對(duì)3 種不同葉型不同截面處的型損進(jìn)行對(duì)比分析。 圖7-9 分別為A、 B、 C 3 種葉型在不同截面處二維專業(yè)軟件計(jì)算與試驗(yàn)的變馬赫數(shù)特性研究。

圖7 A 葉型不同截面高度處變馬赫數(shù)特性

圖8 B 葉型不同截面高度處變馬赫數(shù)特性

圖9 C 葉型變馬赫數(shù)特性

就計(jì)算結(jié)果來(lái)看， 3 種葉型在D/Dk=1.0 即根截面處的葉型損失均最大， 隨著截面高度增加，葉型損失逐步降低， 在D/Dk=1.3 處葉型損失相對(duì)最低。 整體上馬赫數(shù)在0.3～0.8 變化時(shí)， 隨著馬赫數(shù)的增加， 葉型損失逐漸降低， 馬赫數(shù)大于0.8時(shí)， 損失急劇增大； D/Dk=1.0 時(shí)， C 葉型損失最低， A 葉型損失最大， B 葉型損失介于兩者之間；D/Dk=1.1 截面處變馬赫數(shù)特性與D/Dk=1.0 基本相同， 但是不同葉型間損失的差別明顯變小， 另外，當(dāng)馬赫數(shù)大于0.5 時(shí)， C 葉型的葉型損失明顯優(yōu)于其他葉型 ； D/Dk=1.2 截面處變馬赫數(shù)特性發(fā)生了變化， 即當(dāng)馬赫數(shù)在 0.3～0.8 變化時(shí)， B 葉型損失最小， A 損失相對(duì) C 葉型損失稍大； D/Dk=1.3 截面， 馬赫數(shù)在 0.3～0.8 變化時(shí)， A 葉型損失最大；B 和C 葉型相差基本不大， 另外當(dāng)馬赫數(shù)小于0.3時(shí)， C 相對(duì)較大， 當(dāng)馬赫數(shù)大于 0.8 時(shí)， B 葉型損失相對(duì)偏大； D/Dk=1.4 截面處的變馬赫數(shù)特性研究， B 葉型損失最小， 尤其當(dāng)馬赫數(shù)小于0.5 時(shí)，相對(duì)另外2 種葉型這種優(yōu)勢(shì)更為明顯， A 葉型損失最大， C 葉型介于兩者之間。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看， 3 種葉型在D/Dk=1.0 即根截面處的葉型損失均最大， 隨著截面高度增加，葉型損失逐步降低， 在D/Dk=1.3 處葉型損失相對(duì)最低， 并且隨著馬赫數(shù)的逐步增大， 葉型損失逐步降低 （因試驗(yàn)只進(jìn)行到最大馬赫數(shù)為0.8 的情況， 計(jì)算結(jié)果對(duì)比葉僅進(jìn)行到馬赫數(shù)為0.8 的情況）， 趨勢(shì)上計(jì)算所得結(jié)果與試驗(yàn)基本保持一致。與計(jì)算結(jié)果略有不同的是其他截面與根截面的能量損失差異并不如計(jì)算所得的那么明顯。

從二維計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果來(lái)看， 二維專業(yè)軟件計(jì)算所得的葉型變馬赫數(shù)特性還是比較可信的。

4 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)3 種不同動(dòng)葉葉型計(jì)算分析和試驗(yàn)對(duì)比， 可以得到以下結(jié)論：

（1）3 種葉型在 D/Dk=1.0 截面即根部截面處，葉型損失最大， 變攻角特性葉最差， 隨著截面高度的增加葉型損失逐步減小， 攻角特性也開(kāi)始逐步得到改善， 在D/Dk=1.3 處A 葉型的損失最低且正負(fù)攻角特性最好， 截面高度繼續(xù)增加至D/Dk=1.4 處時(shí)損失稍微增加；

（2）3 種葉型在 D/Dk=1.0 即根截面處的葉型損失均最大， 隨著截面高度增加， 葉型損失逐步降低， 在D/Dk=1.3 處葉型損失相對(duì)最低。 整體上馬赫數(shù)在0.3～0.8 變化時(shí)， 隨著馬赫數(shù)的增加， 葉型損失逐漸降低；

（3）二維計(jì)算和試驗(yàn)所得趨勢(shì)基本一致， 驗(yàn)證了該軟件的準(zhǔn)確性， 對(duì)指導(dǎo)后續(xù)葉型設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。