汽封结构内部流动现象的数值研究

　　1 前言

　　在叶栅流动损失中,对于典型高压短叶片级,泄漏损失所占比例可以与叶型损失、二次流动损失相当[l]。研究汽封内部流动的特点及其与叶片排流动的相互影响,对于进一步降低叶栅流动损失,提高叶轮机械内部流动效率有非常重要的意义。

　　2 数值方法和结果分析

　　本文采用由作者发展的三维粘性气动计算程序GAP10对带围带汽封和隔板汽封结构反动式动叶片排的三维粘性流动进行数值模拟。流动控制方程采用压力修正方法求解,控制微分方程在计算空间上采用有限体积方法离散[a]。本文采用分区算法,计算域被分为三个区域,区间接触面上网格点一一对应,计算网格参见图1。

　　图2给出了三维通道中心s2面的相对马赫数分布,由于汽封泄漏流动的存在,完全改变了叶片排上下两个端壁附面层的发展规律。尤其在上端壁,由于泄漏流动所带入的径向速度分量,使叶片排下游端壁附面层在与泄漏流动掺混后迅速增厚。这一现象无疑将使得本排叶片以及下一排叶片的流动效率受到影响。在下端壁,由于反动式动叶片通道的强收敛性所造成的轴向顺压梯度,使泄漏流动的干扰被很快抑制。

　　图3至图5分别给出了围带汽封内部流动中心S2面的压力分布、速度矢量及流线图。结合三图,被吸入汽封腔室的泄漏流体在离开围带壁面时形成了一个后台阶流动现象,然后在第一道汽封齿前流线卷曲,经急剧汇聚后通过第一道汽封间隙,在该处形成了很强的压力梯度。此后,泄漏流体基本上不再卷曲地通过后两道汽封间隙,直至离开围带壁面时又形成了一个后台阶流动。泄漏流体冲进主流区后,对流经叶片通道的主流形成了较强干扰,并形成了一个不小的分离区。由图4,汽封内部大部分区域的流动都由复杂的涡系以及局部分离占领,造成较高的流动损失,从而达到增阻减流的作用。隔板汽封内的流动结构与围带汽封情况相近.

　　尽管在几何上汽封结构是完全轴对称的,对于围带汽封,其内部流动以叶栅顶部栅距为周期呈现周期性。图6为围带汽封内靠近动叶片吸力面侧S2面的速度矢量图,与图4相比较,其主要差别出现在汽封进出口腔室内。在图6中汽封腔室出口内侧区域,主流呈现出被吸进腔室内部的趋势,而不是象图4中那样主流被汽封泄漏流体吹击得完全向下偏转,原因在于叶片尾缘后的压力要高于叶栅槽道中部的压力。

　　隔板汽封靠近叶片吸力面侧s2面的速度矢量参见图7。汽封泄漏流体在此处对主流的干扰相当强烈,使主流产生了相当大的分离,在根部环壁上还出现了鞍点(三维分离现象)。这是汽封泄漏流体与来流、环壁附面层、动叶前缘涡和吸力面侧马蹄涡等相互作用的结果,其流场结构十分复杂,对这一现象的细致研究参见文献[3]。从现象上可以判断出,它将造成动叶片通道内流动的复杂化,并将导致流动损失增加。