透平级三维粘性非定常流动和气流激振力的研究

　　计算机软、硬件和计算流体动力学的发展为汽轮机叶片设计提供了十分有效的手段,其已广泛应用于工程设计中.近几十年来,采用全三维可压缩流动模型模拟透平机械复杂内流,得到了充分的发展,并日趋完善.

　　轴流式透平机械通流部分的动叶栅为高速旋转的运动部件,其与静叶栅的相互干涉十分强烈,形成的湍流流场具有强三维非定常特性.由于测试手段和计算能力的限制,在过去相当长的时间内,透平机械设计和流场研究大多采用定常流动假设.上世纪80年代初,许多学者开始了非定常方面的深入研究[1],目前透平机械非定常计算已经发展到具有高精度、准确、快速的数值求解离散格式,准确、实用的排间界面处理技术以及多排叶栅流场计算域的裁减方案,适合于分析透平机械内流的湍流模型和采用非结构化网格离散复杂的计算域等.迄今为止,已经能够采用全三维、粘性模型进行多个透平级非定常流场的分析.越来越多的研究表明[2-5]:动、静叶干扰产生的非定常流动对透平机械的损失、气动噪声和机组工作的稳定性等整体性能都有十分重要的影响.非定常流动与定常流动假设有重大分歧[2,5],考虑到按非定常特性设计的叶栅基元级效率比按传统定常方法设计时高出数个百分点[4]等因素,特别是随着透平机械向小展弦比、小叶列间隙、大气流折转角和非常规叶型发展,三维非定常影响显著增大,透平机械内部流动非定常问题的研究也日益引起广泛而深入的关注.

　　按产生的条件可将透平机械中非定常现象分为条件非定常和固有非定常两大类[6,7].在小流量条件下的旋转失速与逆流以及在/压气机+容腔+管网0条件下失速导致的喘振现象是条件非定常[8];而叶片颤振、壁面附面层转捩和分离、动静叶片排相互干扰导致的流场随时间的周期性变化等则是透平机械中固有的非定常现象.目前对固有非定常现象的研究主要有以下2个方面:¹尾迹与叶排的干扰.试验证明:尾迹与叶排的干扰基本为无粘过程[5,6],其影响主要体现为随流迁移特性,衰减的速率低于势干扰,通常在几倍轴向弦长之后还可以观察到尾迹的影响;º二次流与叶排的干扰.透平机械中复杂的涡系结构使叶排出口流动不均匀,在向下游的输运过程中涡系受到下游叶排的切割和压力势场的拉压而变形,构成下游叶排内的非定常流动.与尾迹干扰类似,二次流干扰也体现出随流迁移特性,其影响范围为数倍轴向弦长.

　　目前,非定常流动的研究与设计应用还处于实验室阶段,试验方面基本是采用周期锁相采样的方法[9,10];数值计算基本采用简化[11]或约化[12]的方法.迄今为止,关于非定常引起的损失机理尚不完全清楚.虽然,有些学者试图将非定常的研究成果应用于设计工作中[13-15],但是很难准确估算非定常流动引起的损失并将其可靠地纳入设计体系.综上所述,由于各种损失皆由多个因素引起,十分复杂,所以现有的经验公式尚不能精确地预测各种损失的大小,以达到合理而又自觉地控制叶栅损失的目的;此外,叶片事故约占汽轮机组事故的39%,燃气轮机叶片事故所占比例更高[16],而透平机械复杂流道振荡扰动传播是造成流体激振并最终导致叶片破坏的1个重要原因[17].因此,要解决这一问题,就必须对透平机械内部复杂的三维粘性流动细微结构进行系统而深入的研究.随着计算机以及计算流体动力学的发展,有必要发展更接近透平机械内部真实流动状况的非定常流动分析方法,研究透平机械动/静叶排非定常流动,以获得透平级内非定常流动状况及动叶所受的随时间变化的气流力,从而考察非定常流动特性对透平机械气动性能、结构强度的影响,为更准确地预测透平级气动效率、避免动叶的高周疲劳失效提供基础参数.