葉頂凹槽肋條對渦輪轉子葉尖泄漏流場的影響

摘 要：本文采用數值模擬方法，對不同葉尖處理構型的渦輪轉子流場進行數值計算，獲得了平頂葉尖、凹槽葉頂、帶肋條的凹槽葉頂的渦輪轉子間隙流動特性，以及對渦輪轉子性能的影響。研究的6種模型中，模型A6的轉子性能優于平頂葉尖模型A1，其他凹槽構型的轉子性能均低于平頂葉尖模型A1。

關鍵詞：渦輪轉子 葉尖間隙 泄漏流 凹槽肋條

中圖分類號：V231文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（b）-0117-03

采用精鑄工藝制造高壓渦輪轉子冷卻葉片必然會在葉片葉頂處形成凹槽，這給有效控制葉尖間隙泄漏流提供了可能性，得到了科研工作者廣泛關注和重視。2006年Bob Mischo和Thomas Behr[1]開展了渦輪轉子葉尖凹槽對某1.5級高負荷軸流渦輪性能影響的研究；2007年西安交通大學楊佃亮、豐鎮平。[2]研究了燃氣輪機透平轉子葉尖凹槽對動葉頂部流動和換熱的影響；2009年工程熱物理所張永軍、王會社等人[3]研究了某1.5級無導葉對轉渦輪轉子葉尖凹槽對間隙流場的影響。這些研究結果均表明，凹槽的存在改變了泄漏流的流動狀態，阻礙泄漏流的流動，從而降低了泄漏流量以及泄漏損失，葉尖區域的氣動性能得到改善，渦輪效率比平頂葉尖渦輪效率有所提升，葉尖傳熱系數下降。

1 模型和計算方法

本文研究的基準渦輪轉子為某高爐煤氣余壓透平渦輪轉子，轉速為3000 r/min，轉子葉尖間隙為2 mm。葉頂凹槽深度為4 mm。本文對比分析了6個計算模型（表1），如圖1給出了葉頂凹槽內嵌彎曲肋條的模型A3和內嵌3個周向直肋條的模型A6。

采用求解全三維雷諾平均N-S方程計算分析復雜葉頂構型的渦輪轉子內部流場，應用SST湍流模型封閉方程組。計算網格采用局部加密的四面體非結構化網格，保證流場參數變化劇烈的區域有足夠的網格數。圖2為模型3（左）和模型6（右）的網格。

渦輪轉子計算通道的進口給定總溫、總壓和氣流角，總溫、總壓為高爐爐膛出口截面值，氣流角取進口導葉幾何出口角，計算通道的出口背壓由徑向平衡方程確定。所有固壁均設定為無滑移絕熱壁面。

2 計算結果及分析

圖3給出了數值模擬獲得的六個轉子模型效率，圖中可知，葉頂構型對轉子效率影響顯著。模型A2（凹槽葉尖），A3（彎曲肋條），模型A4（單個肋條），模型A5（兩個肋條）會導致效率下降，而模型A6（三個肋條）的效率增大。其中模型A6的效率最大，約為0.813；其次為模型A1，約為0.805；而模型A3的效率最低，約為0.788，效率最大相差幅值為0.025。模型A4和A5的效率在0.794～0.795之間。很顯然，合理的葉頂凹槽構型可以改善轉子內部流動特性，但某一特定構型的葉頂結構能否在多個非設計工況下依然保持著正效果，則有待進一步深入考究。

由圖4給出了6個計算模型在間隙中分面上的流線分布圖。

圖4 （a）可知，葉尖前緣附近的泄漏流在流出間隙后沿著葉片吸力面表面向下游移動；當葉尖中后部的泄漏流在流出間隙后，受到壓力面指向吸力面的切向壓力、葉片表面指向葉尖的附面層內流動等因素的影響，致使泄漏流在通道中卷吸，形成泄漏渦。泄漏渦朝著下游發展時，影響范圍逐漸擴大，渦核則逐漸遠離葉片吸力面、并向著葉中方向移動。

由圖4（b）～圖4（f）可見，葉頂凹槽中的氣流主要來自葉尖前部，從壓力面中后部流入間隙的氣流直接越過凹槽而從吸力面流出。從葉尖前部流入凹槽中的氣流一部分越過吸力面壁面進入到通道中形成泄漏渦，余下的氣流則在凹槽中沿軸向移動、越過肋條直至凹槽尾部而溢出凹槽，進入到通道中。

圖5給出了6個計算模型在機匣內表面上的流線分布圖。可見靠近機匣內壁面的流體從壓力面繞過葉尖流出吸力面進入相鄰通道中，增大了泄漏渦在徑向和周向上的影響范圍，其對葉頂凹槽內的流動影響甚微。

3 結語

本文對平頂凹槽和凹槽肋條的渦輪轉子進行了數值模擬， 研究了凹槽及凹槽肋條對頂部間隙流動的影響， 得到如下結論：（1）凹槽肋條的形式和數目對葉尖間隙泄露流動影響很大。（2）研究的6種模型中，模型A6的轉子性能優于平頂葉尖模型A1，其他凹槽構型的轉子性能均低于平頂葉尖模型A1。（3）合理的葉頂凹槽構型可以改善轉子內部流動特性，但某一特定構型的葉頂結構能否在多個非設計工況下依然保持著正效果，則有待進一步深入考究。

參考文獻

[1]Bob Mischo， Thomas Behr， Reza S. Abhari. Flow Physics and Profiling of Recessed Blade Tips： Impact on Performance and Heat Load[J]. Journal of Turbomachinery， ASME，GT2006-91074.

[2]楊佃亮，豐鎮平.凹槽對動葉頂部流動和換熱的影響[J].工程熱物理學報，2007，28（6）.

[3]張永軍，王會社，王文三，等.無導葉對轉渦輪高壓動葉葉尖開槽的研究[J].工程熱物理學報，2009，30（3）：402-406.