有间隙涡炉叶栅涡系结构的数值模拟

    1　引言

叶栅流道内的损失,一般分为叶型损失、端部损失 两大部分,叶型损失中包含的尾迹损失和端部损失中包 含的泄漏流动损失在两项损失中占重要比例。因此在 多级轴流式叶轮机械中,间隙泄漏流动的流动细节和叶 栅尾迹的流动结构一直引起叶轮机械设计者的重视。 跨过叶片间隙从压力面流向吸力面的泄漏流体卷起形 成泄漏涡后,对叶栅的下游流场产生了很大的影响,使 叶栅出口流场结构发生明显变化,有间隙侧的气流掺混 损失增大〔1,2〕。因此国内外许多学者很早就进行了叶 栅间隙流场结构的研究,这些工作对我们认识叶片间隙 流动的机理起了极大的推动作用。众所周知,在叶栅的 尾缘附近存在一对旋向相反的尾缘涡系,是尾缘附近最 显著的流动特征。在多级轴流式叶轮机械中,尾迹对机 组的总体性能如效率等有明显影响,是由于上一列静叶 的尾迹进入第二列静叶流道时,位置不同造成的〔3,4〕。 由此可见,尾迹流动性状对叶轮机械的性能有重要影 响。对于具有间隙的叶栅流动中,由于间隙的存在,气 流绕流叶栅后,其尾迹发生了怎样的变化,有间隙叶栅 尾迹与无间隙叶栅尾迹的流动结构有何不同,本文通过 数值模拟某涡轮叶栅讨论了上述问题。

    2　实验模型与计算方法

对具有3·6%相对叶顶间隙的涡轮转子叶栅模型 (图1)进行了数值模拟。平行于端壁平面内的叶型均采 用文献〔5〕的叶型,并放大1·73倍。由于所进行的是平 面叶栅流动模拟,各叶型的平均半径取得相当大,使所 模拟的叶栅流道接近于平面叶栅流道。叶栅的其它几何 参数为:轴向弦长B=120mm;叶片弦长C=121·4mm; 节距S =90mm;节弦比S/C =0·74;展弦比h/C = 0·905;叶片进口边半径R1=6·75mm;出口边半径R2= 3·37mm;叶栅进口角α1=50°(从轴向计起);出口角α2 =57°。由所采用的叶栅模型转折角和前后圆小圆半径 都比较大,各种涡系结构明显,有利于流场流动细节的 探讨。

数值模拟采用商用软件TASCFlow。在数值模拟具 有叶顶间隙的叶栅流动时,利用不重叠分区算法将计算 区域分解为11个子区域(Ω1-11,图2)。绕叶型具有一圈 O型网格,它实际上由一组H型网格Ω1-4组成,在入口 段、出口段和流道中部(Ω5-8)采用的是H型网格。对于 叶顶间隙区域采用“镶嵌”式网格结构,由三部分子区 域Ω9-11组成,Ω10也为H型网格,Ω9,Ω11在拓扑结构上 等同于H型网格。通过数值模拟,可定性地分析流动的 细微结构。