弯叶片对大展弦比扩压叶栅角区分离控制机理研究（一）——弯叶片对角区分离起始和发展的影响

弯叶片对大展弦比扩压叶栅角区分离控制机理研究（一）——弯叶片对角区分离起始和发展的影响 弯叶片对大展弦比扩压叶栅角区分离控制机理研究(一)——弯叶片对角区分离起始 和发展的影响 第52卷第3期 2010年6月 汽轮机技术 TURBINETECHNOLOGY V01.52NO.3 Jun.2010 弯叶片对大展弦比扩压叶栅角区 ) 分离控制机理研究(一 一 弯叶片对角区分离起始和发展的影响 杜鑫,王松涛,王仲奇 (哈尔滨工业大学,哈尔滨150001) 摘要:以大展弦比扩压叶栅为研究对象,根据角区分离流动特点提出了以角区分离起始点和吸力面回流区边界作 为描述角区分离的关键参数,研究了角区分离起始点和吸力面回流区边界随弯角,弯高的变化规律,揭示了弯叶片 对角区分离起始和发展的影响. 关键词:扩压叶栅;大展弦比;角区分离;弯叶片 分类号:TK474.81文献标识码:A文章编号:1001-5884(2010)03-0195-04 StudyontheComerSeparationControllingMechanismoftheBowedBladefora HighAspectRatioCompressorCascadePartI: TheEffectsOfftheCornerSeparationStartandDevelopmentoftheBowedBlade DUXin,WANGSong—ta0,WANGZhong—qi (HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China) Abstract:Inthispaper,ahighaspectratiocompressorcascadehasbeenstudied.Basedontheflowcharacteristicsthe cornerseparationstartpointandthereflectflowboundaryonthesuctionsurfaceareproposedtobethekeydescribing parametersofthecornerseparationflowinthispaper.Bywayofcomparisonandanalysisofthechangingpatternwith bowedangleandbowedheightofthecornerseparationstartpointandthereflectflowboundaryonthesuctionsurfacethe cornerseparationstartanddevelopmentcontrollingmechanismofthebowedbladeisdisclosed. Keywords:compressorcascade;highaspectratio;cornerseparation;bowedblade 0前言 弯曲叶片广泛应用于叶轮机械领域的优化改型中,经过 4O多年的发展和完善,逐步成为了一个较为成熟的优化技 术uJ.在叶轮机械领域中,弯曲叶片既是一个提高叶轮机 械性能的有效工具,又是一个引领人们探索叶栅内气体流动 机理的重要视角.附面层迁移理论认为:在正弯叶片中叶 片两端的附面层在"C"型压力分布的作用下向中部迁移,减 弱甚至消除了叶栅两端边界层的堆积,降低了两端的能量损 失,抑制角区分离.张华良进一步对扩压叶栅中的附面层迁 移形式进行了理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,提出附面层迁移不仅包括附着涡层 的迁移,而且包括自由涡层的迁移,自由涡层的迁移尤其是 分离形态的改变对扩压叶栅性能影响很大J.目前,弯曲叶 片在压气机中的应用还存在一定局限性,Breugelmans,lOJ进 行的一系列实验研究表明:正确的,适当的弯角的应用可改 善端壁区域的流动,过大的弯角反而使正弯叶片角区损失增 大.因此,还需要广泛深入的研究来探索扩压叶栅中弯叶片 佳用扭理.当厶』[]佳流动机理的认识不断深入时,将不 收稿日期:2009.10-27 断出现提高叶栅性能的新思路. 本文分为上下两个部分:第一部分根据角区分离流动特 点提出了以角区分离起始点和吸力面回流区边界作为描述 角区分离的关键参数,研究了弯角,弯高对角区分离起始点 和吸力面回流区边界的影响,揭示了弯叶片对角区分离起始 和发展的影响;第二部分对比分析了弯叶片中静压场分布随 弯高和弯角的变化规律,探讨了弯叶片的角区分离流动控制 机理. 1弯叶片 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 参数和数值方法 1.1弯叶片方案参数 本文的研究对象为某地面燃气轮机压气机静叶,静叶为 悬臂结构(本文称静叶上端壁为静叶根部).在对原型压气 机进行数值模拟的过程中发现:在静叶根部存在角区分离, 造成上端壁附近损失增大,通流能力下降.为了改善上端壁 流动情况,本文在静叶根部采用了弯叶片,并探讨了弯叶片 对角区分离的控制机理.为了使问题简化并突出主要矛盾, 本文没有直接在原型静叶上应用弯叶片,而是采用静叶叶根 作者简介:杜鑫(1980一),女,山东牟平人,博士研究生,研究方向为:叶轮机械内部的 流动机理. 196汽轮机技术第52卷 叶型,叶根节距以及原型静叶的展弦比生成直叶片矩形叶 栅.叶片弯曲造成叶片表面积增大,不同的积迭方式带来不 摩擦损失增幅控制在最低,本文弯叶片的积迭线形式为折 线,转折处采用圆弧过渡,如图1所示,图中的弯曲角度为 同的叶片表面积增量,为了使叶片表面积增量达到最小并将正.叶栅主要几何参数 和弯叶片方案见表1. 表1研究方案的基本参数 上端壁 , , ,_一一 , 下端壁 图1弯曲积迭线 1.2数值方法 本文数值模拟采用FINE/TURBO软件,叶栅流道空间离 散网格使用前处理模块IGG/AutoGrid生成.N—S方程求解 器采用FINETM模块,时间推进采用4阶Runge—Kutta法迭 代求解,湍流模型采用低雷诺数Spalart—Allmaras模型.叶 栅进口总压为1617283.0Pa,进口总温为714.62K,进口Ma 数为0.34. 叶栅流道空间离散网格使用前处理模块IGG/AutoGrid 生成.由于静叶原型的展弦比较大,如果对整个叶高进行网 格划分,在保证网格伸展比合理的情况下网格数将大幅增 发现在一5.,0.和+5.的冲 加.通过对原型进行流场计算, 角条件下,角区流动影响范围均没有达到叶片中部.因此, 出于保证网格质量,控制网格总数的目的,对矩形叶栅进行 数值模拟时,仅对半叶高进行网格划分,边界条件设置为对 称条件. 为了描述近端壁处流动现象,依据角区流动的空间尺 度,控制距离端壁20%叶高范围内网格加密,如图2所示. 控制靠近壁面的网格加密,壁面第一层网格满足Y<3.叶 栅流道采用HOH型结构化网格,分别对应网格节点数(周向 ×径向×轴向):41×57×25(H),45×57×221(0),77×57 x49(H),共840351个节点. 2计算结果分析 2.1角区分离结构 图3所示的是在不同冲角条件下叶栅上端壁以及叶片 吸力面的极限流线.从图中可以看出,不同工况下的分离结 图2计算网格 (日)叶栅上端壁极限流线 (吸力面极限流线 图3叶栅上端壁(?)和吸力面(6)的极限流线分布 构相似——角区形成闭式分离泡.随着冲角增加,分离起始 点前移,周向分离尺度和径向分离尺度增大;上端壁吸力面 一 侧的螺旋点向流道中部迁移,尾缘附近的鞍点逐渐向下游 和流道中部前移;叶片吸力面上的螺旋点和鞍点向叶展中部 迁移;叶片吸力面极限流线向叶展中部偏转程度增大. 图4所示的是0.冲角下直叶片和弯叶片吸力面上的摩 擦力矢量,摩擦力线分布,图中灰色区域表示的是摩擦力轴 向分量方向为正的区域.由于摩擦力方向始终与流体微团 的运动方向相反,因此,摩擦力轴向分量方向为正的区域与 回流区相对应.回流区在各叶高处的起始点定义为回流区 的边界,由图4可知:?吸力面上的分离线与回流区边 界,不完全重合;?与在上端壁与吸力面之间的交线 上相交,该交点A既是分离起始点又是回流起始点. 第3期杜鑫等:弯叶片对大展弦比扩压叶栅角区分离控制机理研究(一):弯叶片对 角区分离起始和发展的影响197 20%弦长尾缘 图4吸力面摩擦力矢量,摩擦力线分布 下面,通过分析A点轴向位置以及在吸力面上的分 布形式随弯高弯角的变化规律来探讨弯叶片对角区分离的 影响. 2.2角区分离起始点 图5所示的是弯高和弯角对上端壁角区分离起始点位 置影响规律,图中横轴表示弯角,纵轴C表示相对弦长. 图5(o)所示的是在一5.冲角下点位置随弯高,弯角的 变化规律.对于正弯叶片而言,当弯高相同时,A点随着弯 角增大而后移,当弯角相同时,A点随着弯高增大而前移. 当弯角为60.时,A点位于70%弦长左右,与直叶片相比其后 移量达到35%弦长.反弯叶片分离起始点A随弯高和弯角 的变化规律与正弯叶片相反.可见,无论是正弯叶片还是反 弯叶片,弯高和弯角对分离起始点的影响作用始终是相反 的. 图5(b)所示的是在0.冲角下点位置随弯高,弯角的 变化规律.分两种情况讨论.?当弯高小于13%时,A点位 置随弯高,弯角的变化规律与图5(n)的结论相似,不同的是 弯高的影响作用增强.?当弯高等于13%时,正弯叶片中 点的后移量存在最大值,对应的弯角记为.(.=45.). 当弯角大于45.时,』4点随着弯角的增加而前移. 图5(c)所示的是在+5.冲角下A点位置随弯高弯角的变 ,正弯叶片中 化规律.分两种情况讨论:?当弯高小于13%时 A点的后移量存在最大值,对应的弯角记为.随着弯高的 增加,O~opt减小——当弯高等于3%时O~opt为40.,当弯高为7% 时a为35.;?当弯高等于13%时,正弯叶片中A点随弯角 的增大而前移,反弯叶片中A点随弯角的增大而后移. 图5弯高和弯角对上端壁角区分离起始点位置影响规律 2.3吸力面回流区范围 图6所示的是弯高和弯角对吸力面回流区边界厶的影 响规律,横轴C为相对弦长,纵轴H为相对叶高.图6(.)所 示的是一5.冲角时正弯叶片中.分布形式.当弯高相同 时,随着弯角的增大厶范围整体减小.当弯角相同时,不同 弯高下的出现了交叉:在交叉点以上,弯高较大的L1的轴 向范围较大;在交叉点以下,弯高较大时的轴向范围较 小.整体来讲,当分离尺度较小时,弯角决定了厶在吸力面 上的分布形式,弯高的影响作用不大. 图6(b)所示的是在一5.冲角时反弯叶片中.的分布形 式.当弯高相同时,随着弯角的增加,,J的范围整体增大. 当弯角相同时,出现了以下两种情况.?不同弯高下的,J. 交叉(例如:h03aN40和h07aN40):在交叉点以上,弯高较大 时的的轴向范围较小;在交叉点以下,弯高较大时的三:的 轴向范围较大.?没有出现交叉(例如:h07aN40和 hl3aN40),随着弯高的增大,厶的范围整体减小. 图6(c)所示的是在0.冲角时正弯叶片吸力面上分 布形式.分4种情况讨论:?当弯高小于13%叶高时,弯角 的影响规律与一5.冲角时相同;?在弯高等于13%叶高,弯 弯角 (c)+5.冲角 角小于等于图5(C)中的Ot.的情况下,弯角的影响规律与? 相同;?在弯高等于13%叶高,弯角大于等于图5(c)中的 的情况下,不同弯角下的,出现了交叉,当不考虑86% 叶高附近回流区范围时,交叉点以上弯角较小时的L.的轴 向范围较小,交叉点以下弯角较小时的L的轴向范围较大; ?弯高的影响规律与图6(.)时相同. 图6(d)所示的是在0.冲角时反弯叶片吸力面上分 布形式,弯角影响规律与图6(6)时相同,弯高的影响规律与 图6(b)时情况?相同. 图6(e)所示的是在+5.冲角时正弯叶片吸力面上分 布形式.分3种情况讨论:?当弯高小于13%叶高时,弯角 的影响规律包含了图6(c)中情况?和?;?当弯高等于 13%时,弯角的影响规律与图6(C)中?相同;?弯高的影响 规律与图6(a)和图6(c)相同. 图6?所示的是+5.冲角时反弯叶片吸力面上分布 形式.分2种情况讨论:?当弯高小于13%叶高时,弯角的 影响规律与图6(b)和图6(d)的相同;?当弯高等于13%叶 高时,不同弯角下的出现了交叉,交叉点以上弯角较大时 的三的轴向范围较小,交叉点以下弯角较大时的,.的轴向 范围较大. T,........,.......工壁情 一=2 198汽轮机技术第52卷 (?一5o冲角,正弯叶片 (力0o冲角,反弯叶片 (6).5o冲角,反弯叶片 C (P)+5o冲角,正弯叶片 图6弯高和弯角对吸力面回流区边界,的影响规律 通过分析弯高和弯角对A点位置以及吸力面上L1分布 形式的影响规律可以得出以下结论: (1)弯角对A点位置的影响可以分为以下3种情况.? 当弯角从负值向正值变化时,A点轴向位置逐渐后移.例 如:一5.冲角下的所有弯高,0.冲角下的3%,7%弯高.?当 弯角从负值向正值变化时,A点轴向位置逐渐后移,但是存 在最大值.例如:0.冲角下的13%弯高,+5.冲角下的3%, 7%弯高.?当弯角从负值向正值变化时,A点轴向位置逐 渐前移.例如:+5.冲角下的13%弯高.由此可见:对不同 分离尺度而言,适当的弯高和弯角可使A点的后移量达到最 大值;当弯高和弯角过大时,A点的后移量减小,甚至使A点 开始前移. (2)弯高对A点位置的影响:在本章研究的所有冲角条 件下,正弯叶片中A点随着弯高的增加而前移;反弯叶片中 A点随着弯高的增加而后移. (3)弯高和弯角对L1分布形式的影响.在近端壁处,. 的轴向范围主要受A点位置的影响,因此,随弯高和弯角 的变化规律与A点相同.在远离端壁的叶高处,当弯角从负 值向正值变化时,的轴向范围逐渐减小;当弯高增大时,正 弯叶片中L1的轴向范围减小,反弯叶片中的轴向范围增 加.当弯角或者弯高对近端壁处和远端壁位置上的,.产生 相反的影响时,不同弯叶片的出现交叉. 3弯叶片对角区分离起始和发展的影响 (1)弯角对A点位置的影响可以分为以下3种情况.? 当弯角从负值向正值变化时,A点轴向位置逐渐后移.例 (c)0o冲角,正弯叶片 一时5str — ?一士=+5h03aN40 — f斟5h03aN10 —'一扣+5hO7aN40 —一 i--+5h07aNl0 — 争一卢=+5hOl3aN4o — 斟5h013aN10 0.20.40.60.8 (,)+5.冲角,反弯叶片 如:一5.冲角下的所有弯高,0.冲角下的3%,7%弯高.?当 弯角从负值向正值变化时,A点轴向位置逐渐后移,但是存 在最大值.例如:0.冲角下的13%弯高,+5.冲角下的3%, 7%弯高.?当弯角从负值向正值变化时,A点轴向位置逐 渐前移.例如:+5.冲角下的13%弯高.由此可见:对不同 分离尺度而言,适当的弯高和弯角可使A点的后移量达到最 大值;当弯高和弯角过大时,点的后移量减小,甚至使A点 开始前移. (2)弯高对A点位置的影响:在本文研究的所有冲角条 件下,正弯叶片中A点随着弯高的增加而前移;反弯叶片中 点随着弯高的增加而后移. (3)弯高和弯角对分布形式的影响.在近端壁处, 的轴向范围主要受A点位置的影响,因此,随弯高和弯角 的变化规律与A点相同.在远离端壁的叶高处,当弯角从负 值向正值变化时,L1的轴向范围逐渐减小;当弯高增大时,正 弯叶片中,.的轴向范围减小,反弯叶片中的轴向范围增 加.当弯角或者弯高对近端壁处和远端壁位置上的,.产生 相反的影响时,不同弯叶片的出现交叉. 4结论 通过分析弯高和弯角对角区分离起始点位置以及吸力 面上回流区分布的影响规律可以得出以下结论: 对于 (1)弯角对角区分离起始点的影响:在正弯叶片中,不同分离尺度而言,适当弯角可以使角区分离起始点后移, 弯角过大则使角区分离起始点前移;在反弯叶片中,角区分 (下转第201页) L?}?rL??L?}?rL??r?r'?[0 505O 9988 O0O0 第3期肖玉广等:汽轮机内湿蒸汽流动特性的数值模拟201 (l0%叶高(50%叶高 图5末级不同叶高sl流面静压分布 一 :\{ MNoRM (口)5%叶高 30000 25000 :20000 15000 10000 ?5000 00.511.522.S M—NoRM (5O%叶高 00.20.40.60.8lI.21.41-61.8 MNORM (c)95%升高 图6末级静压沿叶型的分布 汽相的膨胀降压.除此之外,在静叶叶顶和动叶全叶高的进沉积,该部分质量可能占到来流质量的10%,因而湿蒸汽流 口压力侧存在局部过膨胀,说明在此处汽流对叶栅为负冲动工质质量流量是不断减少的.在采用混合平面模型进行 角.在静叶全叶高与动叶叶顶吸力侧的出口段,可以看到静数值计算时,在动叶栅与静叶栅之间传递的流动参数为压 压的突然升高,这是汽流在喉部之后扩张段超声速流动时,力,温度,气流角,湍动能和耗散率,因而不能保证各列叶栅 遭遇"冷凝激波"形成的.的流量是相同的,因此无法得到自发凝结对流量的影响程 3结论 湿蒸汽级在实际运行时,由于水滴在汽缸及叶片表面的 度,也就不能考虑湿蒸汽级流动过程中工质减少的影响.要 考虑自发凝结对流量的影响,必须进行非定常计算,采用非 定常滑移网格处理静动叶栅交接面上的数据传递. (上接第198页) 离起始点通常随弯角增加而后移,只有当分离尺度,弯高和 弯角都较大时,角区分离起始点才随弯角增加而前移. (2)弯高对角区分离起始点的影响:在本文研究的所有 分离尺度下,正弯叶片中角区分离起始点随弯高增加而前 移,反弯叶片中角区分离起始点随弯高增加而后移. (3)弯叶片对吸力面回流区分离形式的影响:吸力面回 流区范围在近端壁处主要受角区分离起始点的影响,因此, 弯叶片对近端壁处吸力面回流区范围的影响与角区分离起 始点相同.在远离端壁的叶高位置上,正弯叶片中回流区范 围随弯高,弯角增大而减小,反弯叶片中随弯高,弯角增大而 增大. 参考文献 [1]A.B.Bogod.DirectandInvertedCalculationof2DAxisymmetric and3DFlowsinAxialCompressorBladeRows[R].TsAGI.Rus— sian,1992. [2]H.D.Weingold,R.J.Neubert,R.F.Behlkeeta1.BowedSta— tor:AnExampleofCFDAppliedtoImproveMultistageCompressor Efficiency[J].JournalofTurbomachinery,1997,119:161—168. [3]A.Fischer,W.Riess,J.R.Seume.PerformanceofStrongly BowedStatorsina4一StageHishSpeedCompressor[A].ASME TurboExpo2003[c],PaperNo.GT2003—38392. [4]s.R.WeUbom,A.D.Robert.Redesignofa12一StageAxial— FlowCompressorUsingMultistageCFD[A].ASMETurboExpo 2001[C].PaperNo.2001一GT一0351. [5]李绍斌,苏杰先,王仲奇.大折转角弯曲静叶在高负荷压气机 改型 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中的应用[j].推进技术,2007,28(1):26-31. [6]WangZhongqi,LaiShengkm,XuWenyuan.AerodynamicCalcula- tionofTurbineStatorCascadeswithCurvilinearl_~anedBIadesand SomeExperimentalResults[A].SymposiumPaperof5thISABE [C].1981. [7]张华良,王松涛,王仲奇.叶片弯曲对大折转压气机叶栅内涡 系结构的影响[J].推进技术,2007,28(1):36—4o. [8]F.A.E.Brougelmans,Y.Carels,M.Demuth.InfluenceofDihe— dralontheSecondaryFlowinaTwoDimensionalCompressorCas? cade[J].JournalofEngineeringforGasTurbineandPower,1984, 106:578—584. [9]F.A.E.Breugelmans.InfluenceofIncidenceAngleonthesec— ondaryFlowinCompressorCascadewithDifferentDihedralDistri- bution[A].ISABE1985[C1.PaperNo.85—7078. [1O]T.Sasaki,F.A.E.Breugelmans.ComparisonofSweepandDi— hedralEffectsonCompressorCascadePerformance[J].Joumalof Turbomachinery,1998,120(2):454—464. td昙至0暑? 芒|n??:山-暑?