某透平静叶特性试验与数值研究.pdf

窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.02.010某透平静叶特性试验与数值研究某透平静叶特性试验与数值研究第一作者简介院 朱莹 渊1989-冤袁 女袁 硕士袁 毕业于西安交通大学飞行器设计专业袁 主要从事气动试验研究工作遥朱莹袁 田朝阳袁 周伟久渊东方电气集团东方汽轮机有限公司袁 四川 德阳袁 618000冤摘要院静叶流量系数尧能量损失及出口气流角等特性参数是透平通流能力评估尧动静匹配和机组效率评估的重要参数袁其数值的准确获得是叶片工程应用的前提条件遥 实际使用中袁常通过叶片安装角的略微调整满足不同的流量尧焓降等设计边界袁扩大了叶片使用范围袁因此叶片的变安装角特性十分重要遥 文章针对某一反动式透平静叶进行变安装角环形叶栅性能特性试验研究袁并对典型试验工况进行流场仿真分析遥 结果显示袁该叶栅安装角转小 4毅袁设计工况流量系数降低 0.036尧能量损失系数增大 0.32%袁仿真流场未出现分离等现象袁叶片变安装角特性良好曰试验中流量系数先随压比的增大而增大袁后趋于稳定袁安装角减小使该稳定值略微降低曰仿真结果与试验测量值总体特性和沿叶高分布规律一致袁数值略微偏大袁验证仿真有效性袁利于后期叶片性能分析遥关键词院环形叶栅袁试验研究袁数值仿真中图分类号院TK262文献标识码院A文章编号院1674-9987渊2023冤02-0040-05Experimental and Numerical Study on Characteristicsof a Turbine VaneZHU Ying袁 TIAN Chaoyang袁 ZHOU Weijiu渊Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000冤Abstract院 The characteristic parameters such as static vane flow coefficient,energy loss and outlet airflow angle are important pa鄄rameters for the evaluation of turbine flow capacity,dynamic and static matching and unit efficiency evaluation.In practice,theblade installation angle is often slightly adjusted to meet different design boundaries such as flow rate and enthalpy drop,which ex鄄pands the application range of the blade.Therefore,the variable installation angle characteristic of the blade is very important.Inthis paper,the annular cascade test is carried out for a reaction turbine stationary blade,and the simulation analysis of the test con鄄ditions is carried out.The results show that when the installation angle of the cascade is reduced by 4毅,the flow coefficient decreas鄄es by 0.036,the loss increases by 0.32%,and the simulated flow field does not appear to be separated;The flow coefficient first in鄄creases with the increase of the pressure ratio,and finally tends to a stable value,and the installation angle is reduced by 4毅,thestable value is reduced;The simulation results are consistent with the overall characteristics of the measured values and the distri鄄bution law along the blade height,and the values are slightly larger,which verifies the effectiveness of the simulation and is benefi鄄cial to the later blade performance analysis.Key words院 annular cascade,experimental study,CFD40窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期1引言随着现代工业的高质量发展袁 流体透平不断向高经济性的精细化设计发展遥 透平静叶主要起流体膨胀加速尧 改变流动方向的作用袁 是透平级的基本单元袁 对其性能特性的了解掌握是精细化设计的关键之一遥 其中静叶栅的流量系数尧 出口气流角及能量损失系数等主要特性参数直接关系到透平通流能力评估尧 动静匹配和机组效率评估袁因此袁 这些关键参数数值的准确获得是静叶栅工程应用的前提条件遥实际使用中袁 常通过叶片安装角的略微调整适应不同的通流流量尧 焓降等热力边界遥 此种方法扩大了叶片使用范围袁 降低了叶片开发数量及制造成本袁 利于型号的系列化和适应性遥 因此叶片的变安装角特性在透平通流设计中十分重要遥透平叶栅损失中袁 型面损失和端部二次流损失占比较大1遥 环形叶栅试验可通过整圈或部分弧段叶片构建叶栅实际的三维流动通道袁 通过测量出口流场能量损失系数和出口气流角分布袁 准确获得叶栅中部型面损失和根顶部端壁损失袁 获得叶栅二次流影响范围2-6袁 从而为二维叶型尧 三维成型及端壁造型7-8等的优化提供支持遥 当环形叶栅试验采用整圈叶栅时袁 可通过测量入口流量及进出口压力温度参数袁 准确获取叶栅的流量系数袁评估叶栅的通流能力遥试验中由于安装空间尧 测量时间及仪表等因素的限制袁 其测点个数及测量参数有限袁 很难获取完整的流场信息袁 故常常采用试验与仿真的联合对比分析方式遥 通过试验袁 对数值分析不能准确处理的问题提供数据修正基础9袁 保证数据的有效性袁 又可通过数值分析获得完整的流场特性袁 补充试验数据有限的缺陷遥 数值计算方法经过实验验证后袁 可进一步变工况分析袁 全面获取叶片特性遥本文针对某一反动式透平静叶叶栅进行变安装角环形叶栅试验研究和仿真对比分析袁 根据应用条件设计了叶栅方案院 两个方案型线及三维成型规律相同袁 方案 2 为方案 1 安装角 渊与出气边的夹角冤 转小 4毅所得遥2叶栅试验本次试验在公司环形叶栅试验台进行遥 该试验台主要由风源尧 管路调节系统尧 扩压段尧 整流段尧 稳压段尧 试验段组成袁 如图 1 所示遥 可承担整圈环形叶栅或部分弧段环形叶栅试验遥 试验风源由 2 500 kW 罗茨鼓风机压缩空气获得袁 具有一定压力和流量遥 气流通过扩压段减速增压袁 然后经整流段及稳压段形成稳定的轴向气流袁 最后经过进气导流器流向试验叶栅遥图 1环形叶栅试验台本次试验采用整圈试验方案以准确测量叶栅的流量系数袁 试验段结构如图 2 所示遥 叶栅进口设置进气导流器袁 保证叶栅入口流场的均匀性遥为防止叶栅出口气流扩散袁 影响气流角测量袁 故设置出口导流段遥图 2试验段结构示意图为准确评估叶栅能量损失及出口气流角的特性袁 试验中用五孔探针作为流场测量工具遥 采用非对向测量法袁 通过采集 5 个孔的压力值袁 对照标定数据袁 差值处测量点的总静压尧 方向角遥 探针在位移机构带动下沿叶栅周向和展向扫描一个周期扇形区域袁 获得叶栅在两个方向的特性分布遥进气导流器探针测量面试验叶片出口导流段41窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期进口总压/kPa107进口总温/K358出口静压/kPa95.5通过前期数值仿真结果袁 确定测量截面距叶栅出气边的距离遥3仿真计算根据实际试验环境及试验测点安装位置确定数值仿真计算域袁 建立包括进气段和叶栅试验段的仿真模型袁 其中叶栅段为单通道模型袁 采用NUMECA AutoGrid5 生成结构化网格袁 壁面第一层网格厚度取 0.05 mm袁 叶栅区域网格总数约 50 万袁网格如图 3 所示遥 叶栅前风洞进气段为全周模型袁采用 Ansys Mesh 生成非结构网格袁 并在壁面添加边界层网格遥 CFX 计算时袁 将两个区域的网格拼接袁 最终数值计算网格如图 4 所示袁 总网格数约为 120 万遥图 3叶片局部网格图 4流场计算网格试验以压缩空气为工质袁 为对比分析袁 数值计算中工质采用实际空气介质袁 湍流模型采用SST 模型遥进口边界给定总温总压袁 出口采用平均静压出口边界袁 其数值均由试验中实际测量值确定遥本文主要选取叶栅设计工况进行对比袁 其具体边界见表 1遥 固体壁面设为绝热无滑移条件遥表 1仿真边界条件4数据处理叶栅流量系数 Cq为叶栅的实际流量 G 和理论流量 Gs的比值院Cq=G/Gs渊1冤理论流量 Gs计算公式为院Gs越籽2sC2sA渊2冤籽2s越P1tRT1tP2sP1t蓸蔀1运渊3冤C2s=2CpT1t1-P2sP1t蓸蔀运-1运姨渊4冤式中袁 籽2s为叶栅出口等熵密度曰 C2s为叶栅出口等熵速度曰 A 为叶栅喉部实际总面积曰 P1t为叶栅入口总压曰 T1t为叶栅入口总温曰 P2s为叶栅出口静压曰Cp为定压比热容曰 R为气体常数曰 K 为绝热指数遥叶栅出口流场每个测点的能量损失系数为院灼渊x,y冤=1-1-P2sP2t蓸蔀运-1运1-P2sP1t蓸蔀运-1运渊5冤式中袁 P2t为叶栅出口总压曰 x 为栅距方向曰 y 为叶高方向遥叶栅某一高度的平均损失系数 灼渊y冤按式渊6冤计算院灼渊y冤=nto乙灼渊x,y冤dx/t渊6冤式中袁 t 为叶栅的栅距曰 n 为测量的栅距个数遥叶栅某一高度的平均出气角按式渊7冤计算院a渊y冤=nto乙a渊x,y冤dx/t渊7冤式中袁 a渊x,y冤为流场某点的出气角遥5结果分析试验和仿真所得叶栅总体特性参数见表 圆遥 表中以方案 1 试验数据为基准袁 其余试验与仿真值是此数据的差值遥对比两个方案特性参数的试验值袁 相较方案1袁 方案 2 出口气流角减小 3.6毅袁 与叶栅安装角转小 4毅基本相符遥 能量损失系数增大 0.32%袁 流量系数降低 0.046遥两个方案试验与仿真值趋势一致遥 但相较试验测量值袁 仿真计算所得两个方案的能量损失系数和气流角偏大袁 流量系数差值在 1%以内遥42窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期表 2试验仿真总体特性参数对比两个方案叶栅能量损失系数沿叶高方向的分布曲线如图 5 所示袁 其中 h 为相对叶高遥渊a冤方案 1渊b冤方案 2图 5能量损失系数沿叶高分布图 5 显示袁 两个方案能量损失系数沿叶高方向分布规律一致遥 由于端壁二次流的影响袁 叶栅根顶部损失明显大于中部损失遥 顶部二次流影响范围大于根部袁 顶部影响约 20%叶高范围袁 根部影响 10%左右遥 叶栅中部区域损失系数变化较小袁基本呈水平直线遥对比图 5 中的两种方案袁 整个叶高区域内袁方案 2 损失系数普遍大于方案 1袁 且根顶部二次流的影响强度大于方案 1遥 由于方案 2 在方案 1 基础上安装角整体转小 4毅袁 气流从进口到出口折转角增大袁 叶栅能量损失系数整体增大遥比较试验与仿真结果袁 两者变化趋势一致袁二次流响应范围相当遥 但两个方案中袁 仿真所得叶栅中部叶片型损高于试验值袁 而叶栅端部损失系数差异较小遥叶栅出口气流角分布如图 6 所示遥 两个方案分布规律基本一致遥 叶栅根顶部出气角因端壁二次流影响而增大曰 叶栅中部出气角随叶高的增加而减小袁 但变化幅度较小遥渊a冤方案 1渊b冤 方案 2图 6出口气流角沿叶高分布方案 1 的出气角在整个叶高范围内均大于方案 2袁 符合安装角变化效果遥比较试验和仿真结果袁 两者变化趋势一致袁但仿真值较试验值整体偏大遥 这个差异在方案 2中小于方案 1袁 叶栅下半部小于叶栅上半部遥分析试验和仿真所得的能量损失系数及出口气流角差异袁 主要原因在于院渊1冤 试验中未测量入口流场的湍流强度袁 数值中湍流强度按默认值计算曰渊2冤 两个叶栅试验实物所测的喉部尺寸存在差异袁 方案 1 实物喉部较设计值偏小 0.3%袁 方案 2实物喉部偏小 1%遥仿真计算所得方案 1 和方案 2 的马赫数云图如图 7 所示遥 两个方案马赫数各截面云图分布规参数流量系数平均能量损失系数/%平均气流角/渊毅冤方案 1试验仿真要-0.01要+0.28要+1.24方案 2试验仿真-0.05-0.04+0.32+0.75-3.58-2.86仿真试验0.000.200.400.600.801.000.150.100.050.00h数值试验0.000.200.400.600.801.000.150.100.050.00h仿真试验0.000.501.0040302010h数值试验0.000.501.0040302010h43窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期律相似遥 方案 2 各截面云图未出现流场分离迹象袁说明该叶栅在安装角转小 4毅后流场未出现脱流的异常现象袁 仍可使用袁 但损失略有增大遥方案 2 相较方案 1 安装角转小袁 使得叶栅喉宽减小袁 通流面积降低袁 相同热力边界条件下袁流量下降袁 出口气流角减小袁 汽流转折角增大袁通流阻力提高袁 能量损失系数增大遥渊a冤方案 1渊b冤 方案 2图 7马赫数云图(10%尧 50%和 90%高度截面)试验中叶栅出口为大气排空袁 故通过调节进口总压袁 获取不同进出口压比下的叶栅流量系数遥两个方案叶栅的流量系数随压比变化曲线如图 8所示遥图 8试验流量系数曲线两个叶栅流量系数变化规律一致袁 压比较小时流量系数均随压比的增大而逐渐增大袁 当压比增大到一定程度袁叶栅流量系数基本不变遥 整个变压比试验范围内袁方案 1 的流量系数比方案 2 大遥相较方案 1袁 由于方案 2 能量损失增大袁 叶栅实际出口流速尧 出口角度与等熵理论值差异增大袁导致流量系数减小遥6结论通过对透平静叶特性环形叶栅试验研究及数值仿真分析袁 可以得到以下结论院渊1冤该透平静叶叶栅袁 安装角减小 4毅袁 能量损失增大 0.32%尧 流量系数降低 0.05袁 流场云图未显示分离迹象袁 叶片安装角特性良好遥渊2冤叶栅流量系数先随压比的增大而增大袁 最终趋于稳定遥 该叶栅安装角转小 4毅袁 该稳定值减小 0.04遥渊3冤仿真结果与试验值变化规律一致袁 验证了仿真的有效性袁 后续可通过仿真详细研究叶片变工况特性遥 仿真损失系数和出气角数值偏大袁 可通过后期试验入口流场湍流的测量或变湍流度仿真计算等方法袁 进一步修正遥参考文献1平艳,田朝阳,江生科,等.先进动叶平面叶栅试验和数值分析J.东方汽轮机,2022(1):8-12.2张红莲,康磊,李海滨,等.某涡轮静叶环形叶栅气动性能的试验研究J.热能动力工程,2019,34(6):37-46.3袁锋,竺晓程,杜朝辉,等援 气冷涡轮环形叶栅三维流场的实验与数值研究J援 工程热物理学报,2007,28(5):775-777援4李卫华.后加载叶栅气动特性的叶栅实验研究与数值模拟D援 北京:华北电力大学,2004援5马宇晨,吴东润,吴俣,等.压气机环形叶栅尾迹特性试验与数值模拟研究J援 工程热物理学报,2021,42(10):2536-2543援6周逊,王振峰,王祥锋,等.冲角变化对涡轮静叶栅流场的影响J援 实验流体力学,2009,23(4):11-14援7段浩杰,陈榴,戴韧.低雷诺数透平端部造型控制动叶根部二次流的研究J.风机技术,2020,62(3):1-6.8祝培源,陶志,姚韵嘉,等.非轴对称端壁造型对叶片端壁综合传热特性的影响J.风机技术,2019,61(6):48-55.9王姗,吴博,王娟丽,等.切向进汽平面叶栅试验与 TCS计算分析 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