叶顶凹槽肋条对涡轮转子叶尖泄漏流场的影响

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摘 要：本文采用数值模拟方法，对不同叶尖处理构型的涡轮转子流场进行数值计算，获得了平顶叶尖、凹槽叶顶、带肋条的凹槽叶顶的涡轮转子间隙流动特性，以及对涡轮转子性能的影响。研究的6种模型中，模型A6的转子性能优于平顶叶尖模型A1，其他凹槽构型的转子性能均低于平顶叶尖模型A1。

关键词：涡轮转子 叶尖间隙 泄漏流 凹槽肋条

中图分类号：V231 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（b）-0117-03

采用精铸工艺制造高压涡轮转子冷却叶片必然会在叶片叶顶处形成凹槽，这给有效控制叶尖间隙泄漏流提供了可能性，得到了科研工作者广泛关注和重视。2006年Bob Mischo和Thomas Behr[1]开展了涡轮转子叶尖凹槽对某1.5级高负荷轴流涡轮性能影响的研究；2007年西安交通大学杨佃亮、丰镇平。[2]研究了燃气轮机透平转子叶尖凹槽对动叶顶部流动和换热的影响；2009年工程热物理所张永军、王会社等人[3]研究了某1.5级无导叶对转涡轮转子叶尖凹槽对间隙流场的影响。这些研究结果均表明，凹槽的存在改变了泄漏流的流动状态，阻碍泄漏流的流动，从而降低了泄漏流量以及泄漏损失，叶尖区域的气动性能得到改善，涡轮效率比平顶叶尖涡轮效率有所提升，叶尖传热系数下降。

1 模型和计算方法

本文研究的基准涡轮转子为某高炉煤气余压透平涡轮转子，转速为3000 r/min，转子叶尖间隙为2 mm。叶顶凹槽深度为4 mm。本文对比分析了6个计算模型（表1），如图1给出了叶顶凹槽内嵌弯曲肋条的模型A3和内嵌3个周向直肋条的模型A6。

采用求解全三维雷诺平均N-S方程计算分析复杂叶顶构型的涡轮转子内部流场，应用SST湍流模型封闭方程组。计算网格采用局部加密的四面体非结构化网格，保证流场参数变化剧烈的区域有足够的网格数。图2为模型3（左）和模型6（右）的网格。

涡轮转子计算通道的进口给定总温、总压和气流角，总温、总压为高炉炉膛出口截面值，气流角取进口导叶几何出口角，计算通道的出口背压由径向平衡方程确定。所有固壁均设定为无滑移绝热壁面。

2 计算结果及分析

图3给出了数值模拟获得的六个转子模型效率，图中可知，叶顶构型对转子效率影响显著。模型A2（凹槽叶尖），A3（弯曲肋条），模型A4（单个肋条），模型A5（两个肋条）会导致效率下降，而模型A6（三个肋条）的效率增大。其中模型A6的效率最大，约为0.813；其次为模型A1，约为0.805；而模型A3的效率最低，约为0.788，效率最大相差幅值为0.025。模型A4和A5的效率在0.794～0.795之间。很显然，合理的叶顶凹槽构型可以改善转子内部流动特性，但某一特定构型的叶顶结构能否在多个非设计工况下依然保持着正效果，则有待进一步深入考究。

由图4给出了6个计算模型在间隙中分面上的流线分布图。

图4 （a）可知，叶尖前缘附近的泄漏流在流出间隙后沿着叶片吸力面表面向下游移动；当叶尖中后部的泄漏流在流出间隙后，受到压力面指向吸力面的切向压力、叶片表面指向叶尖的附面层内流动等因素的影响，致使泄漏流在通道中卷吸，形成泄漏涡。泄漏涡朝着下游发展时，影响范围逐渐扩大，涡核则逐渐远离叶片吸力面、并向着叶中方向移动。

由图4（b）～图4（f）可见，叶顶凹槽中的气流主要来自叶尖前部，从压力面中后部流入间隙的气流直接越过凹槽而从吸力面流出。从叶尖前部流入凹槽中的气流一部分越过吸力面壁面进入到通道中形成泄漏涡，余下的气流则在凹槽中沿轴向移动、越过肋条直至凹槽尾部而溢出凹槽，进入到通道中。

图5给出了6个计算模型在机匣内表面上的流线分布图。可见靠近机匣内壁面的流体从压力面绕过叶尖流出吸力面进入相邻通道中，增大了泄漏涡在径向和周向上的影响范围，其对叶顶凹槽内的流动影响甚微。

3 结语

本文对平顶凹槽和凹槽肋条的涡轮转子进行了数值模拟， 研究了凹槽及凹槽肋条对顶部间隙流动的影响， 得到如下结论：（1）凹槽肋条的形式和数目对叶尖间隙泄露流动影响很大。（2）研究的6种模型中，模型A6的转子性能优于平顶叶尖模型A1，其他凹槽构型的转子性能均低于平顶叶尖模型A1。（3）合理的叶顶凹槽构型可以改善转子内部流动特性，但某一特定构型的叶顶结构能否在多个非设计工况下依然保持着正效果，则有待进一步深入考究。

参考文献

[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] 杨佃亮，丰镇平.凹槽对动叶顶部流动和换热的影响[J].工程热物理学报，2007，28（6）.

[3] 张永军，王会社，王文三，等.无导叶对转涡轮高压动叶叶尖开槽的研究[J].工程热物理学报，2009，30（3）：402-406.