基于CFD模拟的载荷后移和叶片间隙对总压损失的影响的研究

摘要：可转动的涡轮第一级叶片和载荷后移都可以提高叶片的攻角适应性，从而使发动机具有更好的工况适应性，而可转动叶片需要在叶片的顶端和低端都留下一定的间隙，这些间隙对发动机的流道损失有着重要的影响。载荷后移可以减少间隙喉部之前的流动损失情况。

关键词：载荷后移；影响；研究

0 引言

燃气轮机作为动力装置，如何提高效率减少损失一直是燃机发展的重点。燃气轮机的损失主要包括机械损失，通流损失和燃烧损失。而燃气轮机的通流损失占了燃气轮机总损失的75%，因此对通流部分的研究更是燃氣轮机损失研究的一个主要方面。叶型损失就是涡轮二维叶栅，即涡轮基元级的损失，它是由于当气体流过平面叶栅的时候，因为气体的粘性产生的附面层摩擦损失和附面层分离产生的损失。主要包括因为附面层而产生的摩擦损失，尾迹损失，尾迹和主流掺混所造成的损失，附面层中还有气流的分离造成的损失和激波造成的损失。根据GE公司的研究数据，漏气损失占了汽轮机级效率的33%。其中叶顶的漏气损失更是占了22%，变几何涡轮由于其静叶需要随着工况的变化，调节流量旋转，叶顶和叶根部都需要留下间隙，因此相对于一般的涡轮级只有一个间隙，变几何涡轮更是有了两个间隙，泄露损失变得更加严重。实验研究和理论研究都表明，相对间隙增大1%。涡轮的效率会随之下降1.5%。间隙流动的存在使得流场的结构变得更加复杂，使得对于流动的研究更加困难。因此泄漏流动的研究也是叶轮机械研究的一个非常重要的方面。

传统叶型气体在叶型前半部分急剧加速，在叶型中部速度不变，在吸力面后部扩压，这样的叶型是前加载或者均匀加载叶型[1]。若最大载荷位置后移，在扩压比差不多的前提下，则气体在前半部分曲率变化小没有明显的加速，喉部之后急剧扩张，这样的叶型就是后部加载叶型。如今，后部加载叶型由于其更好的攻角适应性，已经广泛应用于现代叶轮机械的设计中。

变几何燃气轮机是指燃气轮机的一个或者多个部件的几何形状位置等会随着工作状态而改变，使发动机总是处于最佳的工作状态。在实际的工作状态下，发动机不可能总是处在设计工况下，因此，如何在恶劣的工况下仍然使燃气轮机保持较好的工作状态是很有必要的。传统涡轮发动机要改变推力必须调整转速，这使各个部件或是发动机处于非设计状态工作，各部件性能、效率随转速变化而降低。而涡轮导叶可调，则不调转速既可改变流量，以改变发动机的推力。1971年，R.R公司经过试验研究[2]得出结论：最有效地控制涡轮流量的方法是改变导叶安装角。

1 不同叶形间隙处总压损失的变化

涡轮第一级静子叶片如果可以转动，可以有更好的攻角适应性，也就减少了流道内部发生气流分离的可能性，增加了发动机的变工况性能。但是这样做的就需要在其静叶的顶部和底部都会留下一定量的间隙，间隙的存在对叶栅内的流动和涡轮级的效率都造成了很大的影响，而载荷后移也可以提高叶片的攻角适应性，因此分析载荷后移对间隙流动的影响可以为相关设计提供一定的参考。

本文分析方法为制作载荷分布不同叶片模型，用CFD软件进行计算对比分析不同叶片总压损失的变化。

首先给出总压损失的定义：

（1.1）

P*0进口总压；P*当地总压；PS当地静压。

观察间隙的总压损失等值线分布，可以看到叶片间隙处前半部分的总压损失等值线几乎是垂直于吸力面和压力面的而喉部之后叶片总压损失等值线逐渐平行于这两个面，说明在叶片间隙喉部之前，流体的流向主要是顺着流道方向，而喉部之后流体的流向不再是顺着流道的方向，而是垂直于流道，这是因为在间隙的后半段，主导流体运动的不再是惯性力，而是叶片两侧的压力差，叶片间隙内的流体从压力面流向吸力面。这种流向的变化会引起总压损失的剧烈变化，在图中可以看到总压损失最剧烈的区域出现在喉部位置。

载荷后移使得喉部位置向后移动，叶片最大压力点前距离变长，叶片前半部分压力变化更小，所以间隙处前半部分的总压损失等值线更加稀疏，这就说明载荷后移使叶片间隙处前半部分总压损失的的发展变慢，即载荷后移可以减小前半部分的总压损失。

比较原叶型和后部加载叶型的间隙处总压损失，发现叶型喉部位置附近原叶型的等总压损失线斜率比后部加载叶型大，这是因为载荷后移使得叶栅前半部分横向压力梯度减小，横向二次流减小，使得损失减小。但是在喉部之后，载荷后移的叶型的等总压损失线更加密集，这说明后加载叶型这部分横向流动更加严重，因此产生的损失更大，这是因为载荷后移使喉部之后的压力梯度增大，从而引起了更加严重的流动损失。

2 不同叶形流道内部总压损失的变化

在原叶片和载荷后移的叶片上在25%.50%和95%处截了三个截面。观察叶片总压损失随着弦长变化，发现随着流动的发展，叶顶和根部附近的总压损失也在增大，并且损失区域向流道中心扩散。

对比叶顶间隙处的总压损失和底部间隙的总压损失，底部间隙的总压损失比顶部间隙的总压损失更大，这是因为离心力的作用，底部流体的速度更慢，附面层更厚，因此总压损失更大

比较原叶片和载荷后移叶片流道内总压损失分布，原叶片在叶片中间段和流道末尾处的总压损失更大，并且对于流道中心的影响更大。

3 结论

通过分析两个算例，研究载荷后移对涡轮静叶间隙流动的影响，主要研究了两个方面的内容：

1、载荷后移对间隙内静压分布的影响：载荷后移使间隙内静压梯度在前半部分减小，但是在喉部附近急剧增大，流动损失在喉部之前较小，而喉部之后更大。

2、载荷后移对叶片流道内总压损失的影响：载荷的后移使叶片的总压损失在前半部分减小，但是后半部分增大，到了出口处总压损失略有减少。

参考文献：

[1]周逊，具有后部加载叶型的涡轮叶栅气动性能的试验研究[D]。哈尔滨工业大学博士论文，2004.

[2]R.YANAGLete.ConeeptualDesignofTurboAeeeleratorforHSTCombinedCyeleEngine[A].ASME，92一GT一253，1992.

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