小流量工況下汽輪機末級定常流動特性數值研究

徐 鵬 ， 胡 輝

（1.海軍裝備部駐沈陽地區軍事代表局駐大連地區第一軍事代表室，遼寧 大連 116000；2.中國船舶集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

0 前言

汽輪機末級在小容積流量工況下，葉柵中存在二次流損失和葉型損失。通道內產生的分離渦、回流渦和動靜間隙渦使末級葉片存在鼓風、水蝕、葉片震顫等問題[1]，同時，氣動力作用在葉片表面的不均性導致葉片承受較大彎曲扭矩和扭轉力矩，產生葉片損傷，降低葉片壽命。

有研究表明：在低相對流量下，末級動葉頂部壓力面的近前緣區域發生流動分離，隨著流量的進一步減小，在通道內出現通道渦、尾跡渦，流動分離向葉根發展[2]。較小的汽流速度所產生的離心力不足以抵消內弧到背弧產生的壓力差，產生了汽流的橫向運動，同時，上下端壁上的橫向來流與葉柵背弧附面層相匯合，造成附面層的脫離進而形成通道渦[3]。通道渦下游還有壁角渦、脫落渦等形成帶狀尾跡區域，即尾跡渦。汽流在靜葉柵根部流道內急劇膨脹，出口流速達到超音速狀態時，在葉片尾緣產生強烈激波，而動葉前緣受到靜葉尾緣激波的影響產生非定常壓力場，引起壓力脈動。汽流穿過激波層后，馬赫數驟降低，產生較大的能量損失。合適的汽流沖擊葉片角度可以減少正激波，降低渦系強度[4]。

隨著計算流體技術的發展，利用CFD技術可以獲得更加細致的溫度、壓力、流動特性。本研究采用計算流體力學軟件CFX對某型汽輪機低壓缸末級級內流動進行三維定常模擬，通過分析平衡態下不同流量工況下的流動特性，研究流道內流線、壓力分布、流動分離和渦系結構[1-4]。

1 模型和數值方法

1.1 物理模型

本研究以某汽輪機低壓缸末級為研究對象，該汽輪機包含60靜葉片，60動葉片。三維模型由TurboGrid提供，全局采用結構化網格，壁面Y+<2。級內聯通采用正交化網格，計算模型如圖1、圖2所示。

圖1 物理模型

圖2 三維計算網格

1.2 數值方法和邊界條件

本研究采用CFX中求解RANS方程組為SST k-ω湍流模型。工質選擇真實濕蒸氣模型IAPWS-IF97標準steam3vl水蒸氣模型，額定工況下邊界條件采用進口壓力為24.86 kPa，出口壓力為5 kPa。小容積流量條件下則給定背壓5 kPa，進口為質量流量入口邊界條件。小容積流量下給定單通道質量流量分別為1.2 kg/s、1 kg/s、0.6 kg/s、0.3 kg/s、0.15 kg/s。

5種小容積流量情況下具體參數如表1所示。

表1 5種小流量工況進出口參數

2 結果分析

2.1 流線分析

各工況下通道內流動情況如圖3所示，100%相對流量下，汽流平穩流過葉片，隨著相對流量減少，首先在葉根處出現非穩定流動，如圖3（b）所示。在60%相對流量下，如圖3（c）所示，葉根出現明顯的分離渦和流動分離，葉根處流線出現明顯彎曲，汽流開始發生徑向流動，向動葉柵50%相對葉高流動。

34%相對流量下，動葉片近葉根尾緣不再能夠觀察到流線，葉根區域出現大范圍的渦流和葉片脫流現象，如圖3（d）所示。從動靜間隙開始的流線向動葉通道中上段富集，回流區域高度占據了60%相對葉高。隨著相對流量進一步減小到17%相對流量，如圖3（e）所示，回流區域高度增加，達到了70%相對葉高，并且在動葉葉頂，開始出現橫跨了動靜間隙段和動葉葉頂的動靜間隙渦。在9%相對流量下，如圖3（f）所示，動靜間隙渦明顯增大，渦核朝葉根方向移動，在葉頂98%區域出現少量流線，并且該區域中汽流出現高速流動現象。此時，回流區高度增大到90%相對葉高。存在于動葉通道內的不穩定的流動情況使汽輪機末級產生鼓風發熱和長葉片震顫。同時，進入排汽缸中的濕蒸汽有可能在回流渦的作用下以回流形式重新流入通道內，產生水蝕現象。

圖3 不同容積流量下通道內三維流線圖

2.2 壓力分布和流動狀態

各工況下相對高度的壓力分布如圖4所示，其中p0代表動葉片進口壓力，p1代表動葉片出口壓力，從圖中可以看出，蒸氣在動葉中的膨脹程度隨著葉高的增加而增加。在圖4（a）中，100%相對流量情況下，葉根處動葉進出口壓差最小，之后隨著葉高逐漸增大，動葉前后不存在逆壓力區。隨著相對流量減小，動葉前各相對高度下壓力逐漸減小。在72%相對流量和60%相對流量下，葉根處出現明顯的逆壓區，分布于15%葉高和22%葉高以下，如圖4（b）、圖4（c）所示，該位置的軸向逆壓力梯度導致動葉出口產生回流，形成回流渦。圖4（d）中，動葉前后壓力分布接近一致，因此，該流量下汽流動能無法抵消末級離心力，開始出現大面積的徑向流動。在圖4（e）、圖4（f）中，逆壓區擴大至整個葉高，在葉頂高度處的逆壓區出現了動靜間隙渦，從圖4（e）至圖4（f），逆壓梯度極大值由原本的90%相對葉高轉為75%相對葉高，這可以解釋動葉間隙渦向葉根處移動現象，而渦流范圍擴大則與流量密切相關。

圖4 沿葉高方向的壓力分布

2.3 低相對高度下橫向流動特性

9%相對流量下，5%相對高度的壓力分布和流線如圖5所示。在9%相對流量下的通道內渦流不僅來源于動葉進出口的逆壓區，如圖4所示，還來源于由葉柵背弧與內弧之間的橫向壓力差。在橫向壓力差作用下，葉柵中部處流線脫離背弧，向葉柵內弧發展，并在軸向逆壓力梯度下形成渦流，該渦流范圍占據近一半的通道面積，對通道內汽流軸向流動產生干擾。在葉柵出口處的流線，則在橫向壓力梯度下形成明顯的二次流。

圖5 9%相對流量下，5%相對高度截面壓力分布及流線圖

除此之外，如圖6所示，9%相對流量下，在葉柵進口處的汽流形成負沖角，汽流沖擊動葉吸力面，導致動葉前緣發生流動分離形成渦流。由負沖角因素引起的附面層流動分離產生的分離渦占據了低相對高度下大部分流動區域。

圖6 不同流量下動葉進口汽流方位角

2.4 鼓風工況

不同流量下轉矩變化情況如圖7所示，隨著流量減小，末級動葉轉矩減小，在相對流量減小至17%時，轉矩為負值，末級動葉做負功，存在鼓風工況。在17%~34%相對流量中間存在動葉不做功的過渡工況。

圖7 不同工況下扭矩數值

不同流量下末級內功率如圖8所示，級的內功率隨著流量減小而減小，在17%相對流量下，級的內功率為負值。在鼓風工況下，動葉出口汽流焓值上升，形成負反動度。

圖8 不同工況下內功率

3 結論

本研究應用CFX軟件獲得小容積流量工況下汽輪機末級通道內流動特性，分析小容積流量下渦流產生機理，并得到鼓風工況下所對應的相對流量。結論如下：

1）小容積流量工況下，通道內產生動靜間隙渦、分離渦、回流渦。分離渦率先產生在動葉壓力面前緣，回流渦產生在動葉出口。隨著相對流量減小，回流渦逐漸由葉根向葉頂方向擴散。在17%相對流量下出現動靜間隙渦，并隨著相對流量減小，動靜間隙渦范圍逐漸擴大，渦核中心向葉根方向移動。同時，在動葉進出口產生逆壓區的增強，產生更加復雜的回流渦。

2）17%和9%相對流量下的動葉進口汽流方位角與其余4種工況有明顯區別，該相對流量下，在葉根處會形成負沖角，在葉頂會由于動靜間隙渦產生小進口汽流方位角。由于負沖角引起動葉前緣發生流動分離，形成較為強烈的渦流。

3）末級動葉轉矩和末級內功率隨著相對流量降低而減小，當相對流量為17%，已經出現負扭矩和負內功率，此時產生鼓風工況。過渡工況應在17%~34%相對流量之間。