处于部分进汽时动叶片排内非定常流动现象的数值的研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 热机气动热力学学术会议 编号：992046 处于部分进汽时动叶片排内非定常流动现象的数值研究 徐星仲+徐力平4蔡虎’蒋洪德’ 0摘要 本文在简要回顾了迄今为止对于工作在部分迸汽状态下叶片特性的实验和 理论研究结果之后，采用作者发展的多通道三维叶片非定常计算程序，对处于 部分进汽时动叶片排内的三维流动进行了数值模拟，并对结果进行了分忻。 1前言 为满足电网负荷变化的要求，电站汽轮机通常采用调节级控制蒸汽流量从而控制机 组负荷．这就使得调节级动叶片经常工作在部分进汽状态下，直接影响到调节级流量、 效率以及安全性。在小功率汽轮机组中进口前几级也常采用部分进汽设计。从机组实际 运行数据来看，以往根据经验关系式进行的部分进汽设计偏差较大，而在高参数下进行 实验几乎不可能，这就迫切需要发展一种数值模拟手段以对处于部分进汽状态下的叶片 通道内流场特性进行分析．并摄终为设计提供指导。 对工作在部分进汽状态下的叶片通道流场特性，无论是实验还是理论方面，至今即 使连定性的结论也基本很少[1。到目前为止，只有极其少量针对部分进汽方面的研究]： 作发表o]【3·[41[j]：6J【7]：8】[9】’并且，这其中只有文献[8j、[9]中采用了数值模拟手段． 而且还仅限于二维模拟。由于叶片处于部分进汽状态工作是一个典型的非定常流动问题． 并且一般来讲，在周向不存在任何周期性，因而数值模拟工作对计算环境要求很高，主 要需要解决高效非定常算法、计算时间以及计算机容量等问题。鉴于这方面的研究工作 仅仅才开始，因此针对其中的损失机理、动叶片所受激振力形式等等，已有的结果还不 足以成为结论，离总结出一些基本原则用以指导设计还差得很远。可以说，国内外针对 这方面的研究还几乎是空白。 2算例描述 前己述及，绝大部分汽轮机组的调节级动叶片无论是在设计工况或非设计工况都工 作在部分进汽状态。本文算例为某型机组调节级实物动叶片，计算了lO个叶片通道，并 假设整圈叶片通道形式以此为周期。计算中部分进汽度设为50％，堵塞方式及计算9q格 分别见图l、图2。进出口参数、转速等取实际值，数值方法及其它边界条件的描述见文 献[10]。 3处于部分进汽时动叶片排内流动的模拟 ’北京垒三维动力工程有限公二】 。北京航空航天大学404教研室 “中国科学院工程热物理研究所 Ⅳ一27 图3给出了50％堵塞情况下叶片中部准S．流面上静压、相对马赫数和熵的等值线图 和流线图在某个时刻的计算结果，图4给出了该时刻流场的相对速度矢量图。从图3中 进口区域静压分布来看，由于堵塞壁的后面必然存在较低的压力，因此在堵塞与非堵塞 交界处存在着明显的周向压力梯度，并且从图上可以看出在下堵塞区边界处周向压力梯 度较大，这一点从图5中进口区域几个横断面周向压力分布图上可以更明显的看到。这 两处的周向压力梯度对气流形成了较强的引射作用，使得在上堵塞边界处气流向下偏转， 从而造成造成8、9和10号叶片前缘存在一定的负攻角(图4)；而在下堵塞边界处则使 气流急剧向上偏转，并且最终在堵塞区后形成了一条几乎是完全周向的高速流动带(图 3、图4)，这一高速带一直向上流动，直至接近堵塞区上边缘，由于该处同样由于堵塞 ■ 造成的向下的压力梯度，因此这股周向气流才逐渐向轴向偏转，并最终流入6、7号通道。 由于这一高速带的影响造成3～7号叶片前进口气流严重偏离设计进气角，因此各叶片都 存在着极大的正攻角．造成了相应流道内的大面积严重分离(图4)，并且形成了较强的 轴向逆压梯度(图3)。在高速带的左右两侧，左边是堵塞区域，该区流速较低，并且由 于流动存在较强的剪切因而熵值较高；在右侧，由于叶片通道内流动分离从而也形成了 低速高熵区，因此从图3中进口区域马赫数和熵的分布上可以明显看出在高速带两侧存 在着较大的速度和熵梯度。 图5为该时刻不同轴向位置处叶片中部的周向静压分布情况，图中同时给出了与