末级长叶片几何参数对汽轮机流场气动特性的影响.docx
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末级长叶片几何参数对汽轮机流场气动特性的影响
末级长叶片几何参数对汽轮机流场气动特性的影响
程凯，彭泽瑛
（上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海２００２４０）
摘要ｌ本文簿要介绍了标准的准三维流动方法以及在汽轮耘砥压缸通流设计申的典型应用实例。
探讨了末级长叶片的叶高．动静叶片喉节比．静叶扭曲规律、静叶倾角、动静叶轴向间距等几何参数对热力气动特性的影响，计算结果可作为低压缸通流部分优化设计的参考．关键词ｌ汽轮机；通流设计；末级叶片；弯扭静叶
０引言
为了改善汽轮机的通流效率，近年来，汽轮机叶片的设计者不断致力于开发新一代叶型和低压长叶片．由上世纪６０年代之前的直叶片和自由涡流叶型到８０年代的可控涡叶型（扭叶片），直至９０年代之后的三维弯扭叶片，汽轮机气动热力计算技术逐步从一维、二维和准三维过渡到定常和非定常三维ＣＦＤ计掣¨。
由于汽轮机通流部分的实际初始与边界条件在常规风洞中难以重现吐随着计算机技术的发展。
汽轮机通流设计的ＣＦＤ数值计算技术在精度与模型合理性方面具有无可替代的优势，势必逐步取代传统的设计及试验方法．
鉴于目前ＣＦＤ技术的状况和计算机容量和速度的限制，实际产品叶片通流设计的现状是：
整个汽轮机通流部分的设计流程中按不同目标．不同阶段分别采取一维、二维及三维等不同的设计方法．在热力性能和叶片通流尺寸（叶片级数、叶高、喉部面积）设计中采用一维气动方法；在叶片级成型设计则采用计入叶片力的准三维以及二维的气动方法：
在进出汽口、管道、蒸汽室，连通管、排汽涡壳等非叶片流道则采取ＣＦＤ的全三维方法。
由于汽轮机低压缸叶片通流部分，特别是末级叶片不仅出力占到整机出力的１０％．而且运行工况变化大，具有鲜明的三元流动特征，因此低压长叶片级设计始终是处在ＣＦＤ技术应用的最前沿。
虽然全三维的气动计算已开始在产品设计开发阶段应用，但标准的设计流程仍然采用准三元的流场计算以及叶栅流道粘性计算技术．
考虑到流动连续性以及参数的相互影响．在标准的低压缸通流设计流程巾至少要包括三级叶片．相对低匿叶片级而言，有非常多的几何设计参数和热力气动参数．因此在建立低压缸气动计算模型进行流场优化设计计算时，必须要抓住几个关键的热力气动目标参数作为对不同设计方案进行评估的依据。
本文以一典型的低压缸计算实例，分析了应用准三维ＣＦＤ计算模型时，部分几何设计参数对关键气动参数的影响．
１建立模塑
采用准三维的力学模型，在轴对称的子午流面，对模块的流函数采用如下微分方程进行求解：
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其中ｚ、，分别是轴向和径向坐标；舷、Ｖｒ和阳分别是轴向、径向和切向速度；叭％、ｊ、户和ｒ分别是流函数、总焓、熵、密度和温度：
ｍ和ｂ分别是叶片倾角和叶型阻塞系数。
叶型阻塞系数ｂ定义为切向平面上叶型切向宽度与通道切向宽度的比值．
计算中考察流道子午面，假设流场沿切向平均分布。
下面以典型的某低压缸末４级叶片作为计算分析的实例，其计算域如图ｌ所示．图中Ｒ指动叶；Ｓ指静叶：
Ⅵ指末级（低压第６级），ｏｌ指低压第５级，Ｍ指低压第４级，Ｌ３指低压第３级；ＨＲ是动叶叶高：
Ｈｓ是静叶叶高；Ｄ∞是末级动叶和静叶之间的距离。
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图１．低压末四级通流计算域示意图
在众多的可变设计几何参数巾我们选取了叶高（叶型部分的高度）、静叶喉节比、静叶倾角、动叶和静ｎ｝．的轴向间距作为初始设计参数，考察它们对于目标参数的影响．篇幅所限，同时也是为了突出重点，下文主要对末级叶片的通流设计进行考察．
由于是采取准三维的计算方式，计算中并不必对叶片进行整体的三维建模，而是将叶片沿着叶高分为１０等份（１１个截面），每个截亟（Ｓｌ流面）的型线参数均应进行独立设计，其余部分的叶片型线参数由插值得到．为了便于识别，下文将这些截面沿着叶高增加的方向分别定义为：
ＳＥＣ．１、ＳＥＣ－２、ＳＥＧ－３、ＳＥＣ－４、ＳＥＣ－５、ＳＥＣ．６、ＳＥＣ－７、ＳＥＣ．８、ＳＥＣ．９、．ＳＥＣ－ＩＯ和ＳＥＣ－１１．其中ＳＥＣ．１为叶根截面，ＳＥＣ．６为中径截面，ＳＥＣ．１１为叶顶截面。
在应用上述方程进行汽轮机末三级通流设计时，我们主要关注下列几项参数（目标参数）的变化规律：
（１）．叶片级反动度，对于末级叶片而言，反动度沿叶高分布平坦有利于降低二次流损失，根部反动度稍大一些则可以有效地防止低负荷工况下回流的危险，有文献认为，对于空冷汽轮机的末级叶片而言，根部反动度高予０．２５，顶部反动度低于０．６５比较合理【习．
（２）．气流冲角，．冲角的绝对数值太大既对叶片强度不利，同时也会导致叶片通道内形成涡流，流动损失增加，效率降低，严重时还会引起叶片颜振，故而应当对气流冲角进行控制，考虑到叶片变工况的实际情况，通常认为０‘～ｌＯ。
的正冲角较为合理．
（３）气流出汽角，对于末级叶片而言，出汽角太大（切向相对速度大）意味着较大的余速损失，考虑到机组变工况的综合气动性能，合理的气流绝对出汽角为８０。
～９０。
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ｚ计算结果
２．１叶片高度变化对漉场的影响
为考察末级叶片的高度变化对于通流参数的影响，分别将末级动叶高度（ＨＲ）调整至４９０
ｍｍ、５２０姗和５５０姗，末级静叶高度（Ｈｓ）随之作同比例变化＜参见图２）．为了排除其
他因素的影响，叶片整体高度变化时．相应截面（从ＳＥＧｌ至ＳＥＣ－Ｉ１）的型线均进行缩放，使得各个截面位置的喉节比不发生变化．这样叶高变化的效果实际就是通流面积变化的效果．其他各级时片的参数均不改变，整体边界条件（总焓降、温降、压降）不变．计算结果如图３至图５所示．
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图２．叶片高度变化示意图３．叶片高度变化对级反动度的影响
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图４．叶片高度变化对动叶气流出汽角的影响图５．叶片高度变化对动叶气流进汽角的影响
图３可以看出，当叶片高度及通流面积增加时，叶片平均反动度有较大的降低，其中根部降低最多，而项部基本不变．图４可以看出，当叶片高度及通流面积增加时，气流出汽角
显著增加。
图５可以看出，当末级动叶和静叶叶片高度同时增加时，根部动叶气流进汽角，以及沿径向的变化规律基本不变，但叶片越高，叶顶进汽角越大．
２．２静叶平均喉节比变化对流场的影响
考察末级静叶ＳＥＣ－６截面处的喉节比（近似于静叶平均喉节比Ｇ）变化对于通流的影响。
分别将静叶中径处的喉节比调整至Ｏ．３４、０．３７和Ｏ．４０，静叶各个截面上的喉节比随之作同比例变化，考察静叶平均喉节比变化对于流场的影响。
末级动叶以及其他各级叶片的参数均保持不变，整体边界条件（总焓降、温降、压降）不变。
计算结果如图６至图８所示．
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图６．静叶Ｇ值对级反动度的影响图７．静叶Ｇ值对动叶气流出汽角的影响
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图８．静叶Ｇ值变化对动叶气流进汽角的影响
由图６至图８可以看出，随着静叶平均喉节比的增加，对下游动叶片的气动参数有明显影响：
动叶焓降增加，级反动度显著升高，动叶气流进汽角全面提高．由于动叶平均喉节比不变，因此动叶气流出汽角基本不变．
２．３静叶最节比梯度变化对流场的影响
上文对静叶平均喉节比对流场的影响进行了分析．我们对静叶的反扭，即喉节比沿叶高的分布规律投入更多的关注．在平均喉节比固定不变，选取３种不同的静叶喉节比沿叶高变化梯度ＲＧ方案．末级动叶以及其他各级叶片的参数均保持不变，整体边界条件（总焓降、温降、压降）不变．计算结果如图１０至图１２所示．
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图９．喉节比的相对值沿叶高的分布
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图１０．Ｒ＿Ｇ变化对级反动度的影响
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图１１．ＲＧ变化对动叶气流出汽角的影响图１２．Ｉｋ变化对动叶气流进汽角的影响
图１０可以看出，当静叶顶部喉节比减小而根部喉节比增大（Ｒｏ绝对值交大＞时．项部反动度下降雨根部反动度上升，也就是说，静开反扭越大，反动度沿着叶高的分布越趋予均匀．图１２中可以看出．当静叶反扭越大时，动叶顶部进气角变小，而根部变大，即动叶进汽角沿着叶高分布也变得均匀了．与进汽角相比．动叶气流绝对出汽角的变化正相反，静叶反扭越大，出汽角趋于更不均匀．这一点从图１１可以看出．另一方面，由于仅仅改变静叶沿叶高的扭曲规律，因此动叶进汽角和出汽角的平均值并没有多大变化．２．４静叶惯角对流场的影响
关于静叶弯曲的形式以及弯曲叶片的优势，已有诸多文献做过报道，如文献【４】指出，相对于普通弯曲造型的静叶而言，Ｊ型弯曲静叶在调整静叶压力分布以及动叶冲角方面，具有明显的优势。
本文采用两种静叶形式进行计算，第１种：
不作弯曲处理；第２种：
Ｊ型弯曲静叶．
图１３给出两种叶片的倾角沿叶高的分布，其中的“倾角”为叶型积叠线的倾角．图中弯曲静
叶的倾角沿叶高逐渐变小，至顶部则趋近于０，这是比较典型的Ｊ型弯曲特征．
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图１３．末级静叶倾角沿叶高分布
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图１４．静叶倾角对级反动度的影响
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图１５．静叶倾角对动叶气流出汽角的影响图１６．静叶倾角对动叶气流进汽角的影响从图１４计算结果可以看出，Ｊ型弯曲的形式有利于提高动叶根部的反动度。
由于静叶叶片的弯曲部分主要集中在根部，故而对动叶根部的气流进汽角和出汽角也具有一定的调节作用（图１５、１６）。
２．５末级动偶｝叶轴向间距对流场的影响
末级动叶和静叶轴向间距Ｄ００的定义参见图１．取Ｄ∞＝５７咖为基准，分别将该轴向间
距缩小和加大：
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图１７．轴向问距变化示意图１８．Ｄ∞的变化对级反动度的影响
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图１９．Ｄ∞对动叶气流出汽角的影响图２０．Ｄｏ＋对动叶气流进汽角的影响
由图１８至图２０可以看出，当动，静时间距交大时，时顶处反动度变大而根都反动度交小，
动叶叶顶的气流出汽角变小而根部气流出汽角加大，对动叶气流进汽角的影响很小．
２．６对结果的整理
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将上文的计算结果进行整理，总结于下表中．
表１．各个设计参数对末级通流的影响末级反动度顶部影响很小
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３结论
本文根据准三维计算方法的典型计算实例，对汽轮机低压叶片级的关键气动参数反动度、动叶的进／出汽角随末级叶高、末级静叶喉节比、末级静叶倾角以及动静叶间距等几何参数的变化规律进行了归纳和分析．虽然实际低压缸气动设计是所有几何和气动参数综合优化的结果，但本文计算实例所显示的变化规律仍可在气动优化设计过程中作为参考。
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ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅＧｅｏｍｅｔｒｉｃＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅＬａｓｔＳｔａｇｅＢｌａｄｅｏｎ
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（ＳｈａｎｇｈａｉＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｍＣｏ．，Ｌｔｄ．ＴｕｒｂｉｎｅＷｏｒｋｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：
１ｒｔｌｉｓａｒｔｉｃｌｅｂｄｅｆｌｙｉ．ｔｒｏｄｕｃ爆ｔｈｅｑｕａｓｉ－ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｍｉｏｎａｌｔｒａｎｓｏｎｉｃｆｌｏｗｍｅｔｈｏｄｗｈｉｃｈｉｓａｓｔａｎｄａｒｄｃｏｄｅｆｏｒｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｂｌａｄｅｐａｔｈｏｆａｌｏｗｐｌ＇ｆＳＳｕｒｅｔｕｒｂｉｎｅ．ｎ砖ｇｅｏｍｅｌｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｌａｓｔｓｔａｇｅｂｌａｄｅｓｕｃｈａｓｈｅｉｇｈｔａｎｄｇａｕｇｉｎｇｏｆｔｈｅｂｌａｄｅａｎｄｓｔａｔｏｒ，ｇａｕＯｎｇｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｌｏｎｇｔｈｅｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｓｔａｔｏｒ，ｌｅａｎｄｅｇｒｅｅｏｆｔｈｅｓｍｔｏｒ，ａｘｉａｌｇａｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｂｌａｄｅａｎｄｓ；ｔａｔｏｒａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｏｆｉｎｄｔｈｅｉｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｆｌｏｗｔｉｃＩｄａｎｄｔｈｅｒｔｓｕｌｔｓａｒｅｓｕｐｐｏｓｅｄ幻ｈｅａｈｅｌｐｆｕｌｒｅｆｅｒｃｎ∞ｔｏｏｐｔｉｎｌｉＴ∞ｔｈｅｌｎｃｔｉｃａｌｅｎｇ涵ｘ－ａｎｇｏｆＬＰｂｌａｄｅｐａｔｈ．
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