汽轮机低压缸末级长叶片非定常气动特性分析

杨　锐，　杨建道

(上海汽轮机厂有限公司，上海 200240)



汽轮机低压缸末级长叶片非定常气动特性分析

杨锐，杨建道

(上海汽轮机厂有限公司，上海 200240)

摘要：以某型号汽轮机的低压缸末两级叶片作为研究对象，采用非线性谐函数方法对其进行非定常气动特性分析，得出叶片表面的非定常载荷分布.结果表明：该方法能很好地捕捉到非定常流动现象，其中末级静叶扩压段存在较为强烈的非定常流动，叶片顶部区域未发现明显的非定常流动，计算结果可以用于末级长叶片的动响应分析.

关键词：汽轮机； 低压缸； 末级长叶片； 非定常流动； 气动特性

在进口气流不发生变化的情况下，透平机械内部气体流动是非定常的，这种非定常流动是由转子和静子之间的相对运动引起的动静干涉效应造成的[1-2].非定常流动改变了叶片的加载特性，是造成叶片颤振的最主要原因.波动的叶片表面压力使得叶片承受不同频次的激振力，容易导致叶片应力集中，引起叶片断裂.对非定常流动的研究可使研究和设计人员更清楚地了解透平叶栅中的真实流动情况.为充分揭示非定常流动及其引起的透平性能的变化，从20世纪80年代开始，叶轮机械级环境下的非定常流动研究一度成为最活跃的领域.Dring等人[3-5]通过计算和实验手段对轴流式或径流式压气机、风扇和涡轮的内部流场进行了研究，并揭示了大量非定常流动现象，但当时的研究大多是基于简单的流动情况进行的.随着计算流体力学的发展和计算机技术的进步，綦蕾等人[6-9]采用三维数值模拟方法对叶顶间隙非定常流动和动静干涉效应进行了更为充分的研究.

1研究对象

图1为某超超临界汽轮机低压缸末两级长叶片的几何图，其中末级叶片的内径和外径比值为0.41.为讨论方便，分别将次末级静叶片、次末级动叶片、末级静叶片和末级动叶片命名为S1、R1、S2和R2.

图1　低压缸末两级长叶片几何图

图2为低压缸末两级长叶片子午面通流图.由图2可以看出，蒸汽的剧烈膨胀导致通流面积变化明显，因此应用等内径设计，外径则选取较大的扩张角，尤其是S2扩张角达到45°.

图2　低压缸末两级长叶片子午面通流图

2非定常计算方法

非定常计算方法选择非线性谐函数(NLH)方法.英国Durham大学何力教授利用谐波叠加方法描述叶轮机械内部的非定常扰动波特征，并发展了相应的非线性谐函数方法，用于模拟叶轮机械内部的非定常流动.该方法基于常规的定常算法，能够较快速地实现叶轮机械内部非定常流动及波动场的分析，与传统的滑移网格方法相，在计算资源的消耗上比具有非常明显的优势.为了更好地捕捉非定常流动，在叶片高度方向增加了网格数，4排叶片展向网格数皆为97，4排叶片单通道计算区域网格总数为240万，如图3所示.

图3　4排叶片单通道计算区域网格

表1给出了计算边界条件，进口给定总压、总温和气流角(匹配次末级静叶片进气角)；由于计算域进口存在较大的径向扩张，因此给定相应的径向气流角，以使气流能够更好地贴合子午流道形状；计算域出口给定中叶展处的静压及径向平衡方程条件；固体壁面处理为绝热无滑移.

表1　计算边界条件

计算中，对每个叶片排定义2个扰动源(即考虑叶片上、下游的气流扰动，由于计算域中S1没有上游叶片排及R2没有下游叶片排，因此扰动源为1)，每个扰动源采用三阶谐波进行叠加，即在非线性谐函数中，采用的谐波阶次为3.

3计算结果及分析

3.1不同叶高截面处载荷随时间的变化

图4给出了采用NLH方法计算并完成时域流场重构后，一个物理周期内4排叶片10%叶高截面处叶片表面压力沿轴向位置的分布图，横坐标为轴向位置，纵坐标为叶片表面压力.由图4可以看出，对于S1，压力面上的静压几乎未发生变化，吸力面上前部区域的静压也几乎未发生变化，仅在吸力面近出口扩压区出现明显的压力波动，最大压力波动幅值约为6.6 kPa.R1内部则整体呈现非常强的非定常流动，从叶片前缘到尾缘，压力面和吸力面上的静压分布皆出现了大幅波动.由图4可以看出，位于10%叶宽处，非定常流动导致的吸力面最大压力波动幅值约为15 kPa；位于45%叶宽处，压力波动幅值达到最大载荷的77%.对于S2，压力面上的静压分布总体呈现稳态特征，压力波动幅值非常小.在R2中，60%叶宽前区域的压力波动情况与R1类似，压力面和吸力面上同样出现了非常剧烈的压力波动现象.R2内最大压力载荷约为4.6 kPa，载荷点随时间变化沿轴向摆动，而吸力面上的最大压力波动幅值则达到4.8 kPa，甚至超过了最大载荷值；压力面上的最大压力波动幅值也非常明显，约为3 kPa，达到最大载荷的65%.

(a) S1

(b) R1

(c) S2

(d) R2

图4各排叶片10%叶高处截面上的表面压力分布

Fig.4Pressure distribution on the surface at 10% blade height

图5给出了在90%叶高截面处末两级叶片的表面压力波动情况.S1内的非定常流动与10%叶高截面处相比没有大的变化，依然局限在吸力面近出口扩压区，最大压力波动幅值为2 kPa.而在R1内，压力波动与10%叶高截面处不同：在90%叶高截面处，R1内的流动非定常效应基本呈现稳态特征，无论在压力面还是吸力面，压力波动幅值均大幅减小，最大波动幅值仅为1.1 kPa，说明在90%叶高截面处，R1内诱发非定常流动的上下游扰动强度大幅减弱.与R1内的非定常流动随叶高变化趋势相反的是，在S2内90%叶高截面处叶片表面的静压波动较大，且无论在压力面还是吸力面，都呈现出非常剧烈的压力波动现象，尤其在60%叶宽上游区域，这种由于非定常流动诱发的压力波动幅值更为明显，最大压力波动幅值达到9 kPa，与自身最大载荷10.2 kPa相比，压力波动相对变化幅值达到88.2%，由此可见S2内的流动受到来自上下游的扰动，诱发的非定常流动随叶高的增加而增强.在R2内，90%叶高截面处叶片表面压力波动特性与10%叶高截面处相比也发生了很大变化，在压力面和吸力面上压力基本未出现明显的波动，最大压力波动处于压力面一侧，波动幅值不足1 kPa，说明R2在90%叶高截面处受到的来自上下游的扰动强度非常微弱，因而引起的R2内的非定常流动亦不明显.

3.2跨叶片截面流动分析

由第3.1节的分析可知，叶根截面处的非定常流动强于叶顶截面处，为更好地理解非定常流动的产生机理，笔者着重分析叶根处跨叶片截面的流动状态.图6为10%叶高截面处的静压云图.S1的吸力面扩压区存在明显的跨音流动特征，在吸力面尾缘一侧形成斜激波，在R1的转动过程中，斜激波会形成扫掠R1吸力面前部的效果.R1出口流速处于亚音速状态，在出口下游，压力沿周向分布并未出现明显的不均匀特征，对S2进口的压力扰动有限.

在R1的10%叶高截面处，由吸力面前缘的A2区以及S1喉部下游吸力面一侧A1区可以发现，A2区存在2个明显的低压区，而S1吸力面尾缘斜激波扫掠过其中的上游低压区，造成该区域的压力变化更为剧烈；与此同时，S1的喉部下游扩压区经过斜激波后，在其下游静压处于较高水平，在T01时刻对应的S1和R1相对位置下，此部分高压区扫掠R1的压力面，引起R1压力面上大的压力波动.在T05时刻，转子向下扫过1/5的S2通道，在势流干涉作用下，A2区的2个低压区向上游迁移，在S1尾缘激波的干涉下，A2区偏上游的气流向上游及周向快速扩散，引起S1喉部下游吸力面一侧低压区的压力分布出现明显变化；而从T05、T09、T13以及T17时刻的A2区压力分布可以看出，在R1相对于S1的位置发生变化时，S1的吸力面尾缘斜激波扫至R1吸力面前部的不同区域，同时R1吸力面上的2个低压区在向上游迁移过程中会对S1吸力面尾缘斜激波下游的高压区形成阻断作用，使得R1压力面的压力变化更加不均匀.由这些现象可以看出，在10%叶高的S1和R1之间，造成2排叶片较大表面压力波动的原因主要来自两方面：一是S1吸力面尾缘斜激波；二是R1吸力面一侧的交错低压区以及较强的势流干涉作用.由于S1和R1之间的轴向间隙相对较小，因而在S1的吸力面喉部下游扩压区以及R1压力面和吸力面都具有非常明显的压力波动特征.由于R1和S2之间存在相对较大的轴向间隙，S2上游并未明显感受到来自上游的压力扰动波，因而其对应的S2叶片前部区域的压力波动也非常小.在S2和R2之间，动静干涉效应与S1和R1之间的干涉类似，只是幅度明显减弱.在S2的吸力面尾缘处同样存在弱激波，该弱激波造成下游压力分层(分为高压区和低压区)流动特征，在R2相对运动时，能被R2的压力面和吸力面感受到，从而引起R2压力面和吸力面的压力波动.这种压力波动特征通过图6中R2上游静压等值线的变化可以看出.而势流的干涉作用使得S2吸力面出口一侧的压力受到来自R2内部流动的干扰，压力波动区主要集中在吸力面出口边区域.

(a) S1

(b) R1

(c) S2

(d) R2

图5各排叶片90%叶高处截面上的表面压力分布

Fig.5Pressure distribution on the surface at 90% blade height

(a) T01

(b) T05

(c) T09

(d) T13

(e) T17

4结论

(1) NHL方法虽忽略了流场中的一些小扰动源项，但该方法仍可捕捉到流场中较大强度的非定常流动.

(2) 在汽轮机长叶片的静叶片根部扩压段存在明显的非定常流动，这与此处的气流急剧膨胀产生尾缘激波有关，该扰动源还将导致动叶片根部压力载荷波动较大，对于叶片的安全性是不利的.

(3) 叶顶区域受到的来自上下游的扰动强度处于非常微弱的水平，因而诱发的动叶片非定常流动亦不明显.

(4) 对于小体积流量的非设计工况点，叶片根部将会首先发生流动分离，这将导致该处的非定常流动更加剧烈，需要在强度设计中加以重视.

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Unsteady Aerodynamic Study on Last-stage Long Blades of a Steam Turbine Low-pressure Cylinder

YANGRui,YANGJiandao

(Shanghai Turbine Works Co., Ltd., Shanghai 200240, China)

Abstract：Taking the last two-stage blades of a steam turbine low-pressure cylinder as the objects of study, the aerodynamic flow around the blades was analyzed using non-linear harmonic method, after which the distribution of unsteady aerodynamic loads on the blade surfaces was acquired. Results show that the method proposed can well capture the phenomenon of unsteady flow, such as strong unsteady flow in the diffuser of last-stage stator blade, no obvious unsteady flow in the area of blade tip, etc. The calculation results may serve as a reference for dynamic response analysis of last-stage long blades.

Key words：steam turbine; low-pressure cylinder; last-stage long blade; unsteady aerodynamics; aerodynamics characteristics

收稿日期：2015-06-25

修订日期：2015-08-11

基金项目：上海市科学技术委员会基金资助项目(14DZ1118200)

作者简介：杨锐(1983-)，男，四川江油人，工程师，硕士，主要从事汽轮机热力通流设计方面的工作.电话(Tel．)：13761569765；

文章编号：1674-7607(2016)05-0360-05中图分类号：TK262

文献标志码：A学科分类号：470.30

E-mail：yangrui@shanghai-electric.com．