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《熱能動(dòng)力工程雜志》2014年第三期

1物理模型和邊界條件

原型葉柵靜葉沿著徑向扭曲比較小(根部葉寬為38，出口汽流角為25°;頂部葉寬為45，出口汽流角度為36．5°)，動(dòng)葉片的進(jìn)口邊比靜葉片的出口邊扭曲的更加劇烈，是典型的等環(huán)量設(shè)計(jì)方法。改型后的葉片是按照可控渦的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)(標(biāo)記為modifiedblade)，葉寬和原型葉片維持不變，調(diào)整了靜葉出口氣流角度沿著葉高方向的反曲率(根部α1增大，頂部α1減小)，動(dòng)葉出口汽流角度沿葉高方向減小(根部β2增大，頂部β2減小)，同時(shí)為了保證流量不變，安裝角做了相應(yīng)的調(diào)整，在額定工況下選擇幾何進(jìn)口角，葉頂部分有較大的負(fù)攻角，而葉根處的攻角為零，這樣做可以減小汽輪機(jī)級(jí)在低速工況時(shí)的正攻角，并提高效率;在額定工況下針對(duì)每個(gè)截面單獨(dú)選取攻角值，設(shè)計(jì)出扭葉片。在改進(jìn)葉型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化靜葉，保持出口氣流角度和喉部截面積不變，采用較為先進(jìn)的后部加載葉型，前部只收縮，后部折轉(zhuǎn)，該葉片可使最大負(fù)荷的位置向后推遲，有效推遲轉(zhuǎn)捩發(fā)生，從而減小葉型的二維損失。3種葉柵的物理模型如圖1所示，3種葉片在根、中、頂截面的型線如圖2所示。在后加載葉型的基礎(chǔ)上采用葉片彎扭聯(lián)合氣動(dòng)成型法生成彎扭葉片，由于端部損失占了很大的比重，因此通過減弱這些部位的氣流，然后通過增加中間部分的氣流密度來進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)特別考慮了積迭線在葉片徑向的變化，可以修正氣流沿葉高的密度，同時(shí)保證葉柵整體通流能力不變。對(duì)靜葉片采用25°和30°正彎，積迭線沿葉高方向?yàn)椤癈”型和倒“J”型;根部和頂部彎高覆蓋了扭曲葉片計(jì)算結(jié)果的二次流區(qū)域，中間用樣條曲線光滑過度。葉柵的額定氣動(dòng)參數(shù):柵前總壓65828Pa，柵前總溫361．5K，出口背壓39043Pa，柵前絕對(duì)進(jìn)汽角73．6°(對(duì)應(yīng)攻角－5°);低速工況氣動(dòng)參數(shù):柵前總壓31500Pa，柵前總溫347．5K，出口背壓為25703Pa;低工況進(jìn)出口參數(shù):柵前總壓31500．72Pa，柵前總溫347．53K，出口背壓25703Pa，柵前進(jìn)汽角36．7°(對(duì)應(yīng)攻角+10°);用FINE/TURBO求解器求解，流動(dòng)方程為雷諾平均N－S方程，流動(dòng)介質(zhì)為Condensablewatersteam，湍流模型為Spalart－Allmaras模型，CFL數(shù)為3，物理邊界選無滑移絕熱，計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)大約180萬，幾種葉片模型網(wǎng)格圖1所示。

2數(shù)值結(jié)果分析

表1列出了各個(gè)方案在額定工況和低速工況下的等熵效率，在額定工況下改型后的葉片優(yōu)于原型葉片，后加載葉片和后加載彎扭葉片優(yōu)于改型葉片，低速工況下改型葉片優(yōu)于后加載葉片和彎扭葉片。

2．1額定工況下靜葉表面的靜壓分布圖3分別給出了3種葉柵在根、中、頂部(10%，50%和90%葉高)沿葉型的靜壓分布。由圖可知原始葉型在前緣點(diǎn)受到一定的攻角影響，來流在前緣點(diǎn)開始形成附面層，沿著葉型分流在壓力面和吸力面流動(dòng);在20%弦長前做負(fù)功，在此后邊界層在壓力面平滑過渡到60%弦長位置，然后在一定的正壓梯度下繼續(xù)膨脹直到尾緣，在吸力面20%－60%的范圍內(nèi)也在較大的正壓梯度下膨脹，在此后又在逆壓梯度作用下緩慢減速，然后再膨脹加速，接近尾緣時(shí)又緩慢減速直到出口;改型后的葉片在前緣位置也受到攻角的影響，但影響范圍只是在10%弦長以內(nèi)，之后附面層在壓力面先緩慢減速到60%位置，之后在較大的正壓梯度下膨脹直至尾緣處，在吸力面10%－90%弦長的范圍內(nèi)都在均勻的正壓梯度下加速，然后遭遇逆壓梯度“爬坡”至尾緣出口。在中截面，原始葉型和改型葉片受到攻角的影響范圍均在10%弦長的范圍內(nèi)，但改進(jìn)葉型受到攻角的影響范圍較小，后加載葉型基本不受攻角的影響;在吸力面上，改型葉片和后加載葉片都是以較大的正壓梯度加速到70%的位置，然后“爬坡”直到尾緣，原始葉型在60%弦長處遭遇一次較大的逆壓梯度，而后與其它葉片一樣減速至尾緣;在頂部截面，3種葉片在10%弦長之前都受到攻角的影響，其中，后加載葉片影響最小，之后在吸力面和壓力面的壓力走勢(shì)基本一致，原始葉片在吸力面受到的正壓梯度和逆壓梯度都是最大的，改型葉片次之，后加載葉片最小。在逆壓梯度段，邊界層流動(dòng)可能出現(xiàn)兩種情況;一是在最低壓力點(diǎn)邊界層分離開來形成一個(gè)泡，并可能變成過渡性質(zhì)的，然后再附著成為湍流;二是邊界層不再附著于葉型表面，而是產(chǎn)生湍流分離。無論發(fā)生哪一種情況，邊界層遇逆壓梯度都將導(dǎo)致流動(dòng)嚴(yán)重惡化，流動(dòng)損失大幅增加。由此可見，采取措施控制沿葉型，特別是沿吸力面壓力分布中的逆壓梯度段的個(gè)數(shù)、逆壓梯度段的長度以及逆壓梯度段中逆壓梯度值的大小是減小葉型損失的關(guān)鍵。改進(jìn)葉型和后加載葉型都受到負(fù)攻角的影響，影響范圍在前緣附近10%的范圍內(nèi)，后加載葉型在吸力面的壓力最低點(diǎn)明顯后移，對(duì)邊界層的增厚起到抑制作用，推遲了根頂部端壁二次流的生成和發(fā)展，且葉柵在后半段膨脹的膨脹加速減小了尾緣附近附面層的堆積。

2．2額定工況下動(dòng)葉表面的靜壓分布原型動(dòng)葉柵和改型動(dòng)葉柵在根、中、頂部3個(gè)截面都受到攻角的影響，但影響范圍都在10%弦長內(nèi)，在過了攻角影響范圍之后，原始葉型的流動(dòng)平滑過渡到30%弦長處，然后在正壓梯度的作用下加速流動(dòng)到接近尾緣的位置再減速直到出口，改型動(dòng)葉柵一直平滑過渡到80%弦長，再快速膨脹到尾緣。在吸力面，兩種葉柵的根部流動(dòng)類似，改型后葉柵壓力最低點(diǎn)出現(xiàn)的位置向后推遲。中截面的流動(dòng)和根截面類似，在頂部截面原始葉型的流動(dòng)較為復(fù)雜，在35%弦長之前都受到攻角的影響，而后在壓力面先加速再減速直到出口，改型葉柵在15%弦長之前也受到攻角的影響，動(dòng)葉片在設(shè)計(jì)過程中給出了一定的負(fù)攻角，使得在該級(jí)動(dòng)葉前部的吸力側(cè)，壓力先減小后逐漸增大，壓力沿葉型的分布呈現(xiàn)“∞”型，如圖4所示。

2．3低速工況下靜壓沿靜葉葉型分布圖5給出了低速工況時(shí)3種靜葉表面靜壓沿著葉型布，由于葉型在設(shè)計(jì)的時(shí)候沿著葉高方向給了一定的負(fù)攻角來抵消低速工況時(shí)所對(duì)應(yīng)的較大的正攻角，因此在低速工況時(shí)改型葉柵和后加載葉柵均有一定的正攻角，且攻角沿葉高方向逐漸增大。由圖可以看出，在中、頂截面葉型壓力側(cè)從前緣開始在一定的正壓力梯度下逐漸加速一直到尾緣，邊界層在流動(dòng)過程中緩慢增厚;根部截面壓力側(cè)從10%弦長開始先均勻過渡，之后以較大的速度加速直到尾緣;壓力側(cè)產(chǎn)生的流動(dòng)損失僅占總?cè)~型損失的10%－20%，氣流在葉型吸力側(cè)的流動(dòng)要比壓力側(cè)復(fù)雜很多，汽流在前緣處均遭遇一次壓力低點(diǎn)，往后邊界層遭遇逆壓梯度，尤其在根部截面還多次受到時(shí)正時(shí)負(fù)的壓力梯度，附面層厚度加速增加，甚至發(fā)生轉(zhuǎn)捩，由層流轉(zhuǎn)為湍流，葉型損失的80%發(fā)生在吸力面一側(cè)。對(duì)比3種葉柵，靜葉片在根、中、頂截面都在吸力面受到攻角的影響，流動(dòng)連續(xù)多次遭遇逆壓力梯度。

2．4低速工況下靜壓沿動(dòng)葉葉型分布在低速工況時(shí)候兩種葉柵都遭遇正攻角的影響，影響范圍的大小取決于攻角的大小和葉柵對(duì)攻角的適應(yīng)性。圖6給出了葉柵在低速工況時(shí)動(dòng)葉表面靜壓沿著葉型分布?？傮w上看，改型后的葉片在壓力面上較為平滑的過渡到尾緣;在吸力面上改型葉柵的壓力低點(diǎn)出現(xiàn)的位置較原始葉柵靠后;從前緣處壓力分布看，改型后的葉柵對(duì)攻角的適應(yīng)性明顯增強(qiáng)，同時(shí)改型葉柵受到的正攻角小于原始葉柵的攻角，尤其在頂部截面，負(fù)面層厚度的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原始葉柵，做功能力明顯增強(qiáng)。圖7為各種葉柵的反動(dòng)度沿著葉高的分布，(圖7－圖10中橫軸為葉片相對(duì)葉高位置，縱軸分別為反動(dòng)度、靜壓(Pa)、總壓損失系數(shù))。由于采用可控渦的設(shè)計(jì)方法時(shí)，考慮了徑向分速度(Cr＞0)的存在會(huì)產(chǎn)生離心力的徑向分量，還有子午方向產(chǎn)生的慣性力的徑向分量為負(fù)值，由完全徑向平衡方程可知，這兩項(xiàng)能部分抵消葉輪回轉(zhuǎn)面內(nèi)流體微團(tuán)的離心力，讓流體微團(tuán)整體往半徑小的區(qū)域增加，在這些因素的影響下，壓力沿著半徑的版畫趨于緩慢，有利于提高根部反動(dòng)度，在采用彎扭葉片之后，這種效應(yīng)變的更為明顯。

2．5靜壓沿葉高的分布由于流體通道呈扇形，且在離心力的作用下，流體在徑向總是向半徑增大的方向流動(dòng)，這樣會(huì)造成很大的漏氣損失，彎曲葉片能部分地解決這個(gè)問題。圖8比較了常規(guī)葉片和彎曲葉片在半徑方向上的靜壓分布，在靜葉圓周方向取一通流截面，得出的靜壓分布為“C”型，由于中間部分壓力較低，可將兩端的流體吸引到中部，這對(duì)減少端部損失是很有利的。

2．6總壓損失系數(shù)沿葉高的分布定義總壓損失系數(shù)ζ=(P*0－P*1)/(P*1－P1);其中P*0，P*1，P1分別為進(jìn)口總壓、出口總壓和出口靜壓(單位均為Pa);圖9給出了總壓損失系數(shù)沿著葉高的變化，在之前后加載葉型的基礎(chǔ)上演化來的“C”型正彎曲(彎角25°和30°)和“J”型正彎曲(彎角25°);在葉片未彎曲之前總壓損失系數(shù)沿著葉高幾乎為一條直線，而頂部壓損較大，根部壓損較小，彎曲之后總壓損失系數(shù)沿著葉高為“C”型分布，在根部和頂部的損失系數(shù)有所降低，在中間部分壓力損失系數(shù)則有所提高，這是因?yàn)閮啥吮诘牧鲃?dòng)有很大一部分被吸引到主流區(qū)，雖然可以減小端壁的二次流損失，但將邊界層吸到主流區(qū)也要損耗一部分能量，因此中部的損失系數(shù)有所增加;但總的壓力損失還是有所降低，正彎葉片造成壓力沿著葉高方向更為均勻合理，由于彎曲葉片吸力面和壓力面之間的壓差小于常規(guī)葉片，這等于從兩端壁面上削弱了橫向二次流，但不是任何一個(gè)彎角都會(huì)使級(jí)效率提高，只有當(dāng)端壁減小的二次流損失能抵消葉型損失的增加，這樣的彎曲才比較合理，本研究所使用的葉柵合理的彎角范圍為25°－30°。

3結(jié)論

(1)為了提高低速工況的級(jí)效率，靜葉頂部給不超過5°的負(fù)攻角，在動(dòng)葉葉頂位置給不超過20的負(fù)攻角，根部給小于3°的負(fù)攻角，這樣做會(huì)略微降低額定工況的功率，卻能大大提高低工況的經(jīng)濟(jì)性。(2)從兩個(gè)工況下的單級(jí)級(jí)效率來看，在后加載葉型基礎(chǔ)上的彎扭葉片性能最好，后加載葉型次之，通過合理控制沿著葉高方向的出口氣流角，使得反動(dòng)度沿著葉高更為均勻，也間接的證明了可控渦的設(shè)計(jì)方法優(yōu)于等環(huán)量設(shè)計(jì)方法。(3)葉片的正彎曲可以有效降低二次流損失，同時(shí)也導(dǎo)致其它損失的增加，因此葉片彎扭成型法同其它方法配合能提高效率;在同樣的進(jìn)排汽參數(shù)下，“C”型正彎葉片在兩個(gè)工況下的效率均高于“J”型正彎葉片，對(duì)于本研究討論的葉柵，25°－30°的彎角最為合理。

作者：康磊張秀峰王超羅小明單位：中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司