2015工程热物理气动文献

1、中国工程热物理学会学术会议热机气动热力学编号：152027间隙结构对涡轮，的影响（上海交通大学航空航天学院，上海 200240）（Tel:，: xiaochengjiuke）摘 要 使用 CFD 方法及k-epsilon 湍流模型进行求解，对间隙泄漏涡的产生机理及结构进行研究。对比分析了不同间隙高度对涡轮损失的影响，以及间隙泄漏涡的结构及大小随着间隙高度的变化的变化。结果表明：随着间隙高度的增加，泄漏涡的强度和大小增加，涡轮损失增大。并且在间隙增大时，泄漏涡逐渐远离吸力面。涡轮，间隙，泄漏流，泄漏涡引言在泄漏流量占总流量的比例约增加 2.1%，造能损失线性增加。及地面燃气轮机中，流轴压气机或轴

2、流涡轮叶片顶部与机匣之间有一定的间隙，转子叶片的高速旋转以及间隙 和端壁面边界层的影响使得间隙区域 极其复杂1。转子叶随着实验测试的发展，使用实验和数值模拟相结合的方法对间隙的机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压差产生间隙轴流风扇间隙处使用离子失23，当泄漏流离开间隙后与主流相踪方法观测到间隙流卷起形成泄漏涡，随着叶片转动泄漏涡远离叶片吸力面。而 Juan Du、Feng Lin14等人对轴流转互作用产生泄漏涡。随着泄漏涡的产生和变化45，又产生不同的对旋转机械产生不同的影响。现象以及子叶片间隙进行数值模拟及实由于间隙区域复杂

3、的特验测量发现经过叶片前 50%弦长的泄漏流会与主流相交产生泄漏涡，而经过叶性，间隙泄漏流对涡轮的性能有着显著影响67。早在上世纪 90 年代，Denton,片后片的泄漏50%弦长的泄漏流会冲击到相邻叶面。目前在高压涡轮转子间隙J. D8等人研究发现间隙损失轮机械总损失的 30%以上。而对于涡轮的形态、间隙涡的形成及而言，间隙导致的损失更加明显，发展规律、间隙泄漏损失机理以及间隙Rao N M，Camci C910等人，研究认为由叶尖间隙引起的损失已经占到了涡轮端区损失的一半以上。目前普遍认为，高度对间隙的方面仍在继续发展中，需要进一步研究。本文使用 CFD 方法对某一高压涡轮较小的叶尖间隙能

4、够涡轮性能并能流场进行数值模拟，详细分析了间降低噪声；过大的叶尖间隙会使涡轮性能下降，并可能引起旋转失速、喘振等隙高度逐渐增大时，对涡轮造成损失的变化。以及揭示了间隙泄漏流结构现象11。12通非定常，变化规律、间隙泄漏涡的变化情况以及间隙流和主流之间掺混情况及其变化规律。协同创新计划过对某跨声速高压涡轮流场模拟研究，发现间隙高度每增加 1%相对，间隙基金项目：自然科学基金资助项目（11202132）；2011 先进1.计算对象及数值方法如图 1，本文以某k-epsilon 湍流模型进行求解。收敛标准为将最大残差值设定为 10e-4。2.计算结果及分析根据以往的研究及实验结果，随着间隙高度的增加

5、，涡轮损失增加，高温高压燃气做功能力变差，为了说明间隙变化对涡轮性能的影响，本文一级高压涡轮为研究对象，在计算单流道中，静一个大叶片及三个小叶片，模拟动叶间隙高度从 0.2mm 到 2mm 变化时的涡轮流场，以此分析在不同间隙高度时泄漏流等的变化。以及泄漏涡结构、大小对涡轮各动总压的损失进行了对比。因此定义了总压损失系数15，其公式如下所示：图 1 所示为网格划分图，其中包括在动顶区域叶片前缘和尾缘处的网格放大图。为了确保计算结果不受网格质量的影响，经过网格无关性验证，使用的网格总数约为 91 万，其中动叶网格Pt1 - Pt 2x =Pt 2 - Ps 2数 26 万，考虑到更好的捕捉动顶间

6、其中 Pt1 和 Pt2 分别表示进口和出口的平均总压， Ps2 表示涡轮出口的平均静压，在此都使用质量平均。隙特征，在间隙处径向分布 15层网格。在图 2 中给出了在不同度时涡轮总压损失系数沿间隙高向的分布。由于间隙以及轮毂和机匣端壁面的影响，各动排的总压损失系数在中间处达到最小，由中间处向及逐渐增大，尤其在处总压损失系数达到最大。而随之间隙高度的增加，总压损失系数随之增大。从而使得涡轮的总体性能降低。图 1 高压涡轮级网格计算时边界条件设定为在处给定总压，并根据进口导叶的气流角给定速度方向，出口处设置静压参数。将机匣设定为绝热、固壁、无滑移边界条件; 叶片以及轮毂设为转动边界，机匣则设为静

7、止边界。每种间隙高度下给定的边界条件完全相同，压力及温度条件以及转速按照涡轮级的设计工况给定。图 2 不同间隙高度下涡轮总压损失系数随向的分布本文使用 CFX软件的求解间隙泄漏流与主流掺混产生泄漏涡，这是影响涡轮叶片性能损失的最相 对 坐 标 系 下 的 三 维 定 常Navier-Stokes( N-S) 方 程 。 使 用主要。动片，研究了其不同间隙高度下泄漏涡的变化。图 3使用流线图详细说明泄漏涡的产生和增是动片维 Ma 数分布云图，用大过程。图 4 是间隙高度为 0.2mm9 组垂直于叶片弦长的切面来显示叶片时泄漏涡机理图。通常而言，间隙通道 Ma 数的分布，以此来泄漏涡的泄漏流与主流

8、掺混形成泄漏涡。而在此增大和改变。在区域靠近吸力面部间隙高度下，在靠近区域，从叶片分，产生了一个从叶片前缘至尾缘面积逐渐增大的低速区域（如图中箭头所指），而此区域中心处正是泄漏涡的涡核，低速区域的发展代表了泄漏涡的流动轨迹。前缘流入紧贴吸力面的流体形成泄漏涡的涡核，之后通过后 40%弦长间隙的泄漏流卷入到此涡中。而对于通过前60%弦长间隙的泄漏流，如图 5 所示，紧贴吸力面流出叶片通道。随着间隙高度的增加，在靠近吸力面处的低 Ma 区域逐渐增大，即泄漏涡区域随之增大。对于整个叶片通道靠近机匣处的区域，随着间隙增大，泄漏涡将更剧烈，影响范围随之增大， 故而此处 Ma 数随之降低，泄漏涡处的流体速

9、度亦降低。如图 3(d)所示，在间隙达到 2mm 时，泄漏涡逐渐远离吸力面，影响主流区域。(a)泄漏涡(b)泄漏涡涡核(c)泄漏涡外围图 4 0.2mm 间隙高度时泄漏涡结构(a) 0.2mm(b)0.6mm图 5 0.2mm 间隙时通过前 60%弦长泄漏流间隙的图 6 是间隙高度为 0.6mm 时泄漏涡机理图。在此间隙高度下，泄漏涡涡核由从叶片前缘流入紧贴吸力面的流体形成，这与 0.2mm 间隙高度形一样。但相较于 0.2mm 间隙高度时，泄漏涡强度及大小增加。此外，如图(c) 1mm图 3 叶片(d) 2mm维 Ma 数分布云图6(c)，此时通过后 50%弦长间隙的为了更加深入研究泄漏涡的

10、变化，泄漏流卷入泄漏涡。通过前 50%弦长间隙的泄漏流则与间隙高度为0.2mm 时一致，泄漏流紧贴吸力面流出叶片通道，如图 7 所示。(a)泄漏涡(b)泄漏涡涡核(c)泄漏涡外围图 8 1mm 间隙高度时泄漏涡结构而当间隙高度增大至 2mm 时，如图9 所示，泄漏涡的涡核只由通过上游弦(a)泄漏涡(b)泄漏涡涡核(c)泄漏涡外围长处间隙泄漏流，通过间隙的图 6 0.6mm 间隙高度时泄漏涡结构泄漏流将全部卷入泄漏涡。相较于之前小间隙情况，此时泄漏涡将达到最大，从而对主流通道的堵塞加剧。在间隙达到 2mm 时，泄漏涡甚至将扩散至整个叶片通道。这与之前得出的总压损失随间隙增大而增大以及叶片通道 M

11、a 数分布的结论一致。图 7 0.6mm 间隙时通过前 50%弦长泄漏流间隙的如图 8 所示，当间隙高度继续增加达到 1mm 时，泄漏涡将变更大，但与小间隙高度明显不同的是，此时泄漏涡的涡核通过靠近叶片前缘处的间隙的(a)泄漏涡(b)泄漏涡涡核(c)泄漏涡外围流体与贴近吸力面的来流一起形成，通过涡。间隙的泄漏流将全部卷入泄漏图 9 2mm 间隙高度时泄漏涡结构熵分布的分析也可以得到泄漏涡的变化及其损失机理16。图 10 是不同间隙高度下 1 2 0 % 轴向弦长位置熵分布。图中高损失区域即熵最大的区域既是泄漏涡所在的地方。与16等人研究结果不同，在本文研究中并没有观测到通道涡，对产生主要损失的

12、仍是泄漏流与主流卷起形成的泄漏涡。随着间隙的增漏涡所导致的由通过叶片前缘的泄漏流。随着叶高损失区域增大，熵值也随之增加。并且此高损失区域有向相邻叶片通道移动顶间隙的增漏涡将远离叶片吸力面，这种情况在大间隙时尤为明显。(3)间隙高度不同时，通过不同间隙的趋势，这与上文中随着间隙增涡远离吸力面的结论一致。漏区域的泄漏流的轨迹不同。在小间隙下，只有通过后一段弦长间隙的泄漏流会卷入泄漏涡，随着间隙增大， 越来越多的泄漏流卷入泄漏涡中，直至间隙高度为 2mm 时，所有的泄漏流会卷入泄漏涡中。参考文献1 Inoue M, Furukawa M. Physics of Tip(a) 0.2mm(b)0.6m

13、mClearance Flow in Turbomachinery (KeynotePaper)C/ ASME 2002 Joint U.S.-EuropeanFluids Engineering Division Conference.American Society of Mechanical Engineers,2002:777-789.2 Hah C. A numerical ming of endwalland tip-clearance flowof an isolatedcompressorrotorJ.Journalof(c) 1mm(d) 2mmEngineering for

14、 Gas Turbines and Power,图 10 不同间隙下 120%轴向弦长位置熵分布3 结论1986, 108(1): 15-21.3诚,炜. 叶轮机械中的（1）涡轮影响较大，随着间隙高度对涡轮的性能间隙高度的增加，泄漏流与泄漏涡J. 工程热物理学报, 2003,涡轮总压损失增加，涡轮将转化为24(5): 753-756.动能的能力降低，涡轮性能变差。JIA Xi-Cheng, WANG Zheng-Ming, WANG（2）随着间隙高度的增加，泄漏Jia-Wei. LEAKAGE FLOW AND LEAKAGE VORTEX IN涡的大小及强度随之增加，尤其在大间隙情况下，泄漏

15、涡甚至会扩散至整个叶片通道。（3 不同间隙高度下，泄漏涡的结构也会有很大差异。在小间隙时，泄漏涡的涡核只由从叶片前缘流入紧贴吸力面的流体形成，随着间隙增大，靠近叶片前缘的泄漏流将会渗入涡核中。而当间隙进一步增大到 2mm 时，泄漏涡涡核只TURBOMACHINERYJ. Journal Of EngineeringThermophysics, 2003, 24(5): 753-756.4,. 轴流压气机叶尖泄漏的时均J. 工程热物理学报, 1998, 19(6):681-686.MA Hongwei, YE Dajun. DEVELOPMENT OF TIPLEAKAGEVOTEXINSIDE

16、ANAXIAL-FLOWCOMPRESSORROTORPASSAGEINDESIGNCONDITION.JournalOfEngineeringFlow RateC/ ASME Turbo Expo 2004: PowerThermophysics, 1998, 19(6): 681-686.for Land, Sea, and Air. American Society of5Lee G H, Baek J H. A numerical study onMechanical Engineers, 2004:1075-1088.the structure of tip clearance fl

17、ow in a10 Rao N M, Camci C. Axial Turbine Tiphighlyforward-sweptaxial-flowDesensitization by Injection From a TipfanC/ASME 2002 Joint US-European FluidsTrench: Part 2 Leakage Flow SensitivityEngineering Division Conference. Americanto Injection LocationC/ ASME Turbo ExpoSociety ofMechanicalEngineers

18、, 2002:2004: Power for Land, Sea, and Air.799-806.American Society of Mechanical Engineers,6诚,贤. 叶轮机械中叶2004:1089-1098.顶间隙形态对气动性能影响的数值研究J.11, 马朝臣,等. 透平机械叶工程热物理学报, 2001, 22(4): 431-434.尖间隙流场研究的进展J. 力学进展, 2001,JIAXi-Cheng,WANGZheng-Ming,CAI31(1):70-83.Rui-Xian. Numerical study on the influenceYang Ce,

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20、推进技术, 2012,7,.间隙高度对涡33(004): 566-572.Wang Da-lei，Piao Ying. Influence of TipClearance Size on Tip Clearance Flow of a轮间隙的影响J. 工程热物理学报,2008, (6):935-939.Transonic Propulsion566-572.TurbineJ.Technology,JournalOfNiu Mao-Sheng, Zang Shu-Sheng, Huang2012,33(4):Ming-Hai. Effect Of Tip Clearance Height OnT

21、ip Clearance Flow In Turbine RotorsJ.13Zhu X, Lin W, Du Z,. ExperimentalJournal Of Engineering Thermophysics, 2008,Investigation of Tip Clearance Flows of an29(6):935-939.Axial Flow Fan Using PDAC/ASME 20028Denton J D. The1993 IGTI scholarJoint US-European Fluids Engineeringlecture:lossmechanismsinDivision Conference. American Society ofturbomachinesJ.JournalofMechanical Engine