对于叶冠齿顶间隙对涡轮气动性能的影响研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com第2期(总第189期)机械工程与自动化NO．22015年O4月MECHANICALENGINEERING&AUT0MAT10NApr．文章编号：1672—6413(2015)02—0029—03叶冠齿顶间隙对涡轮气动性能的影响研究马石，刘永葆。，缪四春，罗响午(1．海军X-程大学热科学与动力工程研究室，湖北武汉430033；2．海军工程大学舰船动力工程军队重点实验室，湖北武汉430033；3．海军_T-程大学动力_T-程学院，湖北武汉430033；4．91251部队，上海200940)摘要：通过数值方法对某二级带冠涡轮的流场进行研究，分析了齿顶间

2、隙对涡轮气动性能的影响。研究结果表明：泄漏流与主流掺混后形成一个涡流区，改变了叶栅上半通道的流场结构；随着齿顶间隙的增加，涡轮的流量先快速增加后趋于平缓，涡轮的效率先快速减小后趋于平缓；同时发现不同工况下，涡轮的流量和效率的变化趋势相同。关键词：齿顶间隙；气动性能；涡轮中图分类号：TP391．7：TK474．7文献标识码：A0引言边界条件见表2。涡轮动叶设计成顶部带冠结构，能够减小泄漏流1．2数值方法量，并减小泄漏流对主流流动带来的负面影响，因此叶本文采用商用CFD软件Numeca的FINE／片带冠的设计得到了广泛的研究与应用。Denton[Turbo模块进行计算，求解三维定常雷诺

3、平均的N—S首先对带冠叶片进行了气动方面的研究，建立了涡轮方程组，采用中心节点有限体积法进行离散，空间差分叶顶间隙泄漏流动的损失模型和经验公式。Rosic[采用了二阶中心差分格式，时间项采用4阶Runge—对叶冠的篦齿结构进行了相关研究。吴丁毅基于实Kutta法迭代求解，湍流模型采用Spalart—Allamaras验对直通式篦齿和台阶式篦齿进行了研究，得出了篦模型。模型的网格采用Numeca软件包的Autogrid5齿厚度与齿隙比对流场的影响。吕强研究了不同迷生成，叶栅通道采用O4H型拓扑网格结构，网格数量宫式气封齿数时的动叶顶部泄漏流动特性，并分析了约为4×1O个。为了准确地模

4、拟出边界层内的流动泄漏流与主流掺混后的流场对下级静叶性能的影响。特性，所有壁面处的y+值小于2。图2为二级涡轮模鄢景对某型燃气轮机三级涡轮进行了数值模拟，主型的计算网格。要分析了无冠动叶栅和有冠动叶栅顶部的间隙泄漏涡和通道涡的三维流动结构。杜发青l_6和刘高文主要研究了不同的篦齿结构、齿数、压比和转速对泄漏流的影响。房友龙对涡轮叶顶间隙的变化规律进行了研究。王鹏飞L9分析了叶冠齿顶间隙对涡轮气动性能的影响，但并没有对不同工况下齿顶间隙对涡轮的气动性能进行研究。本文以某二级轴流带冠涡轮为研究对象，通过三维数值模拟分析了叶冠齿腔内涡流结构，并主要分析图1某二级带冠涡轮的真实篦齿结构示意

5、图了在不同工况下，齿顶间隙对涡轮流量和效率的影响。表1篦齿相关尺寸mm1物理模型与数值方法齿顶间隙c2．5齿顶高度Rl4751．1物理模型与边界条件齿顶宽度s0．3第一个齿根半径R3468图1为某二级带冠涡轮的真实篦齿结构示意图，第一个齿宽w1．3第三个齿根半径R247O其相关尺寸见表1。边界条件按该燃气轮机试车时所第二个齿宽wz0．8前两个齿齿距d112测试的数据进行设置，0．35、0．7和1．0三种工况点的第三个齿宽w30．8后两个齿齿距29收稿日期：2014—05—30}修订日期：2014—12—11作者简介：马石(1989一)，男，辽宁葫芦岛人，在读硕士研究生，研究方向：舰

6、用燃气轮机设计、仿真与优化。学兔兔www.xuetutu.com·3O·机械工程与自动化2015年第2期2计算方法验证敏感，齿顶问隙较大时，齿顶间隙对涡轮流量的影响程图3为2．5mm齿顶间隙高度时涡轮流量数值模度不大。对比不同工况下流量的变化情况可以发现流拟结果与试车数据的对比。从图3中可以看出，数值量的变化速度相差较小。图印佰∞弱∞计算结果与试车数据在0．35、0．7和1．0三种不同工叶冠出1：3涡流区况点的涡轮流量变化趋势一致，数值计算结果与试车数据的涡轮流量偏差约为4。表2三种工况点的边界条件工况o．35工况o．7工况1．o工况入口压力(Pa)115156O150960019

7、49230入口温度(K)l22814381543出口压力(Pa)236781301000376438图4叶冠间隙流体流动结构表3不同工况下涡轮流量随齿顶间隙的变化kg·S齿顶间隙(mm)0．35工况0．7工况1．0工况0．575．1560．2649．671．O75．3360．4149．791．575．436O．5O49．882．O75．5160．5749．922二级涡轮模型的计算网格2．575．566O．6O49．943．o75．586O．6249．953．575．5