高压涡轮动叶前缘新型几何特征对流场结构影响研究

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(1.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045;2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

高压涡轮动叶前缘新型几何特征对流场结构影响研究

王凯1,赵智源2,孙燕平1,罗磊2

(1.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045;2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

本文提出一种前缘前伸内凹且根部叶片略厚的新型动叶片设计方法，旨在通过这种新型叶片控制前缘马蹄涡的生成和发展，通过根部叶片较厚到中间区域叶片厚度略低的三维设计和积叠方法，实现动叶片的弯叶片效果。论文以某高压涡轮叶片为研究对象，从能量损失系数、型面压力分布、旋涡沿流向变化对比分析了新型叶片与原型叶片对流场结构的影响。研究表明叶型前缘新的几何特征使马蹄涡得到控制，流场内流动得到改善。

高压涡轮;马蹄涡;弯叶片效果;新叶型;二次流

0 引言

为了进一步改善和提高涡轮机通流部分的效率，长期以来各研究机构和工业界在降低叶栅流动损失方面作了许多努力。叶栅内二次流、流动分离和旋涡运动的研究已经成为叶轮机械气动力学的一个重要课题[1-2]。为了深入理解这些问题，各国学者将越来越多的注意力集中在对流场特性细节的研究上。研究[3-5]表明马蹄涡系不仅直接影响通道涡的强度及其沿流道的发展，从而改变叶栅的作功量和效率，而且还与前缘端壁上局部热传导和摩擦有着重要关系。在对透平叶栅二次流的研究中，人们对马蹄涡系的重要性已逐步认识。哈尔滨工业大学王仲奇[6-7]、王松涛[8]等分析研究了弯扭叶片对鞍点及马蹄涡的影响，研究表明通过叶片的倾斜和弯曲及改变前缘大小可以控制马蹄涡，进而影响通道涡的生成和发展。同时，在叶片表面靠近根部的位置进行抽吸可以有效减小马蹄涡和二次流对流动的影响[9]。康顺[10]等对马蹄涡进行了深入的研究，研究表明马蹄涡是由来流端壁边界层在叶片前缘的前方分离而形成的。马蹄涡形成的原因是：在叶栅前缘靠近端壁的区域内不仅存在着壁面粘性对气流的阻滞作用和沿流动方向的逆压梯度，而且在叶片的前驻点线附近存在着指向端壁的滞止压力梯度。若这三个因素中任意一个被加强，都会强化边界层分离，增大旋涡的环量，反之，任一因素被削弱，又都会减小旋涡的强度和尺度，或者在一定条件下甚至可消除该旋涡。因此要控制马蹄涡，可以通过控制来流边界层，使它减薄，延缓分离，从而减小马蹄涡的强度和尺度，也可以通过控制压力分布，包括减小或者消除流向逆压梯度和垂直于流向的滞止压力梯度。韩万金[11]等在1991年给出了修改叶型前缘形状的方法来控制马蹄涡，减弱通道涡，但并没有给出具体实际的运用方法。

基于上述讨论，本文提出一种新型动叶前缘及三维造型方法，其典型特征是前缘前伸内凹，根部叶片厚度较大，沿叶高至中间区域略微降低，一方面通过前缘修形实现对马蹄涡的控制，另一方面通过这种三维造型方法使动叶片实现弯叶片效果。

1 新叶型造型及计算方法

1.1 新叶型造型

新叶型在改型程序中，通过对偏移厚度、过渡长度、前缘小圆伸出长度等参数的变化通过插值的方法进行改型，最终得到新叶型。如图1所示为新叶型与原始叶型比较。

图1 新叶型与原始叶型的比较

1.2 新叶型网格划分方法

图2 CFX中新叶型网格

2 新叶型与原型计算及结果分析

进口边界条件中，由于该研究为高压涡轮第一级动叶，进口参数不均匀，所以进口总压和总温均沿叶高分布，出口静压沿叶高分布，展弦比为1.013。采用高阶差分格式，计算残差收敛到1e-8，湍流模型选择为SST(Shear Stress Transport)模型。

2.1 能量损失系数分析

衡量能量损失系数的公式如式(1)所示，利用此公式算出能量损失系数，并对结果进行比较。

按式(1)进行计算，得出的结果如表1所示。

(1)

T2——叶栅出口静温；

从指称典故本身的典故词本义而言，应该是一典一源的，每个源的具体内容不同，所指当然也不同。但不同的典故可能具有相同的喻义或引申义，所以也存在把几个类似的典故合起来创造同一典面的情况。例如：

p2——叶栅出口静压。

由结果可看出，新叶型比原始叶型的能量损失系数减少了0.102%，从能量损失系数的减小可以看出新叶型的气动性能在总体上要优于原始叶型，为了更加详细地研究流道内部的流场结构，下面就分别从流场中的型面压力分布、气动效率沿叶高分布、旋涡沿流向发展等几个方面分别分析对比两种叶型。

表1 不同叶型的能量损失系数

2.2 型面压力分布分析

为了观察新叶型对流场内横向二次流所产生的影响，首先观察在不同叶高处叶片的型面压力分布。由于在叶高0.5和0.9的位置新叶型和原始叶型的静压分布基本相同，所以只给出沿叶高0.1位置型面压力分布。图3为沿叶高0.1位置处原始叶型和新叶型的型面压力分布图，在叶高0.1处，压力面上型面压力分布基本不变，但在吸力面上相对轴向距离0.05～0.15的范围内，新叶型的吸力面压力要高于原始叶型的吸力面压力，这就使新叶型在进口段横向压力梯度减小，进而使下端壁的横向二次流强度减小。而横向二次流是通道涡形成和发展的重要因素，因此，新叶型低的横向压力梯度将会抑制通道涡的形成和发展，进而减少通道涡带来的损失。

新叶型在起始段吸力面的压力较高，可能是由于气流经过新叶型的前缘凹陷后，压力侧流速和静压基本不变，而吸力侧流速降低，静压升高，因此，较原始叶型，新叶型起始段的横向二次流将减小。同时，横向压力梯度的变化可能是新叶型改善了前缘马蹄涡的发展所引起的。

2.3 气动效率沿叶高分布

为研究效率在叶高方向上的分布情况，图4给出了气动效率沿叶高的分布情况，从图中可以看出在中部和顶部新叶型与原始叶型的分布规律相似，但在16%到52%叶高处两叶型有较大的差异。在16%～41%处，新叶型的效率要高于原始叶型，而在41%～52%处，原始叶型的效率要高于新叶型。造成这样的效率分布，是由于新叶型改变了径向二次流，使吸力面下端壁的低能流体向上运动，避免了其在吸力面和下端壁形成的角区内堆积，减弱了通道涡的强度和附面层流体在喉部产生的分离。但由于低能流体进入中部主流区，所以将使中部的41%～52%区域损失加大，因此在这一区域内新叶型的效率低于原始叶型的效率。

图4 原始叶型与新叶型气动效率沿叶高分布

由于新叶型可以改变前缘马蹄涡进而影响二次流，同时叶根突起改变径向二次流，这就使新叶型具有弯叶片的效果，克服了弯叶片在动叶上应用时重心移动而导致的严重的强度问题。

2.4 旋涡沿流向的发展分析

细致的流动要通过三维流场细节分析，为探究旋涡沿流向的发展，分析压力云图，在叶栅流道内部，通道涡刚形成后，在叶栅流道中有两个运动在同步地发展着，第一个是由于通道横向压力梯度作用下新的附面层造成的横向流动，这种流动进一步的造成了在叶片半叶高范围内部的环流；第二个是形成的通道涡卷吸新的附面层沿着吸力面附面层向着叶栅中部以及压力面发展。事实上前一运动促进了后面的运动，随着运动的进行，两个流体运动最终合并。在总压的分析中，一般来说，总压较低的位置为涡系较强的位置，由于涡系内各种动量以及能量交换以及转化，从而导致了较大的总压损失。

分别在流场中气流刚进入叶栅，叶栅中部，叶栅出口附近和距出口较远处四个位置观察原始叶型和新叶型的S3截面在相对坐标系下的总压云图，如图5所示。

从第一组截面中可以看出在压力面一侧总压分布基本不变，吸力侧上端处总压分布变化也不大，但在下端壁靠近吸力侧叶片处，新叶型的低压区要比原始叶型的低压区面积要小，即总压损失较小，从中也可以间接地得出通道涡在起始段的发展情况，即通道涡在新叶型中的发展状况要优于原始叶型。

第二组截面是在叶栅中部截面上总压分布云图，从图中可以看出在压力面一侧总压分布大致相同，在叶片吸力面一侧，在上端总压分布原始叶型的低压区要小于新叶型，但在下端壁则是新叶型低压区要小些，这说明下端壁的前缘变化部分地改变了流场下部的流动状态，尤其是通道涡的形成和发展过程。

图5 原始叶型与新叶型流场内不同截面总压分布

第三组截面为叶栅出口附近的截面，从图中可见，压力面一侧的总压分布和吸力面上通道涡引起的总压分布在第三个截面中基本不变，但下通道涡引起的总压分布中新叶型要优于原始叶型。

第四组截面为距叶栅出口较远处的总压分布，从图中可以看出在上通道涡和泄露涡引起的总压分布基本相同，但下通道涡位置及其以下部分总压分布中，可以看出新叶型的低压区面积要比原始叶型小，即新叶型的总压损失要小。

在四组图中均可以看到下通道涡引起的总压区域相比原始叶型要上移一定距离，即向流道中部区域靠近。

通过以上的对比分析可知，在叶栅进口、中部、出口附近和距出口较远位置，在下端壁附近新叶型的总压分布状况均优于原始叶型。由下端壁总压的分布可知，新叶型的前缘变化使叶栅进口前的压力分布改变，因此，在区域内逆压梯度减小，而叶栅前流场内的逆压梯度是马蹄涡形成和发展的重要因素。所以，在新叶型的作用下，前缘马蹄涡的强度和尺寸均比原始叶型小，当马蹄涡进入流道后，其吸力侧分支强度也较弱，因此改变了前缘吸力侧气流的流动状态，进而影响通道涡的生成和发展。在沿叶高方向，前缘的突起使马蹄涡吸力侧分支上移，具有与弯叶片相同的效果，使通道涡向流道的中部靠近，将下端壁的部分低能流体带到中部主流区，使损失减小。

3 结论

本文首先给出了新叶型的基本原理，通过其工作原理来进行造型设计。本文同时给出了造型程序、网格划分方法及边界条件和湍流模型的选取。在后处理中得出了两种叶型的能量损失系数，为了更加准确地了解流场内部的涡系结构，对流场内型面压力分布，气动效率沿叶高分布，流场内旋涡沿流向发展的对比分析，可以得到如下结论：

(1)前缘前伸内凹的新动叶叶型能量损失系数要低于原始叶型。

(2)从型面压力分布中可以看出新叶型在进口处的横向二次流要小于原始叶型，这可以使马蹄涡进入流道后，减弱通道涡的生成和发展。而横向二次流的减弱是由于新叶型改变了吸力面和压力面上的压力分布。

(3)在分析气动效率沿叶高分布时，由于新叶型的几何形状使气流产生向上的作用力，使新叶型具有改变径向二次流上的作用，达到了与弯叶片相同的效果，这可以克服弯叶片应用在动叶上的强度问题。

(4)在分析更细微的流场结构时，通过观察流场内各截面的总压分布，观察到了涡系的强度以及涡的运动方向在流场中沿流向的变化。新叶型前缘前掠内凹可以减弱叶片前缘的逆压梯度，从而减弱前缘马蹄涡的强度和尺寸。吸力侧通道涡不断向上运动，达到主流区，减少了下端壁低能流体的流动损失。

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TheInvestigationofFlowFieldStructurewithNewGeometryofLeadingEdgeonHPTurbineRotorBlade

WANG Kai1,ZHAO Zhi-yuan2,SUN Yan-ping3,LUO Lei4

(1.North China Electric Power Research Institute Co.Ltd.,Beijing 100045,China;2.Department of Energy Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

In order to control the generation and development of horseshoe vortex, a new method for designing rotor blade has been put forth, in which the leading edge has geometry of protrusive, a small rounded as well as reversal curvature and thick blade root. The neo-blade has the effect of bowed blade cascade designed by the 3D system and stacking method. In this paper, an HP turbine rotor blade is investigated by comparing new blade with original blade from the coefficient of energy loss, the pressure distribution along profile and the transformation of vortex along flow passage. The result shows that horseshoe vortex is under control with new leading edge and the flow condition in flow field improves dramatically.

HP turbine;horseshoe vortex;effect of bowed blade;new blade;secondary flow

2013-07-11修订稿日期2013-12-03

国家科技支撑计划课题(2011BAA07B04)

王凯(1981～)，男，博士，高级工程师，研究方向为发电设备节能优化及故障诊断技术。

TK263.6+1

A

1002-6339 (2014) 01-0003-05