机匣喷气量对涡轮间隙流动控制的影响

　　涡轮机械中,在动叶叶顶和端壁之间会留有尺度很小的间隙。一部分主流流体在叶片压力面与吸力面的压差作用下通过该间隙,形成间隙流动。当这部分间隙流体流出间隙后受动叶通道内负压力梯度的作用而沿径向下移,在叶片吸力面附面层径向上移的影响下而卷起形成间隙涡。

　　由于这部分间隙流体没有经历膨胀作功过程,从而使得动叶输出功减少。而且流体流出间隙时与主流之间存在较大角度,掺混过程使得流动损失增加。Booth[1]认为,1%的间隙相对尺寸会造成1%~2%主流流量通过间隙形成间隙流动,导致涡轮级效率下降约1%~3%。

　　由于叶顶分离涡以及再附着现象的存在,使得叶顶传热系数急剧增加。Metzger[2]试验测得间隙流动使得叶顶传热系数增大近200%。而且由于摩擦以及叶顶氧化消蚀现象的影响,叶顶间隙高度随涡轮运行时间增加而逐渐增大。李伟[3]通过平面叶栅的试验结果,发现当间隙高度增加时,其引起的流动损失线性增大。因此必须采取措施来减小间隙流动引起的损失,提高涡轮效率。其中最常见的方法就是改变叶顶几何形状,包括翼梢小冀(winglet)[4],肋条叶尖[5,6]。研究发现,这些方法可以在不影响叶顶静压分布的情况下减小流量系数,减弱间隙流动,降低间隙流与主流之间的混合损失,同时还可以改善叶顶换热情况。

　　另外一个比较常见的方法就是喷气,它能较好地控制间隙流动并同时能对叶顶区域进行冷却。Minoda[7]采用在机匣不同轴向位置开倾斜孔喷气的方法来控制间隙流动损失,他们认为影响区域可达50%叶高,并且动叶出口相对气流角在50%~70%叶高内减小,在70% ~100%叶高区域内增大。Behr[8]通过实验测得采用机匣喷气的方法可以减小

　　间隙涡及上通道涡尺寸,涡区湍流强度减低约25%。采用适当的喷气位置及喷气量,可以提高涡轮效率。Misco[9]认为机匣喷气可以推迟间隙涡形成位置,通过间隙的流量可以减小约11%。本文建立苏黎世瑞士联邦工学院的“LISA”1·5级轴流涡轮[10]的三维流动模型,采用数值计算的方法分析机匣喷气流量对间隙内部流线分布、动叶出口截面熵增、相对出口气流角、间隙入口速度分布以及涡轮整体性能的影响。

　　1　计算模型、计算方法及验证

　　计算模型采用苏黎世瑞士联邦工学院的“LISA”1·5级轴流涡轮,其间隙高度为1%叶高(τ=0·68mm),涡轮装置参数可见文献[10]。动叶顶部机匣喷气机构如图1所示,在10%轴向弦长位置,每个动叶流道内沿切向均匀分布10个直径为lmm的圆孔,圆孔倾斜角为α=30°,方向与叶片转动方向相反(如图2),喷气量分别为0·7%、1%主流流量。

　　流场计算采用FINE/Turbo,流动控制方程采用圆柱坐标下的雷诺平均Navier-Stokes方程,采用有限体积中心离散方法,空间项离散采用二阶迎风格式,时间离散采用四阶Runge-Kutta法,网格采用分块网格,间隙区域为独立蝶形网格,沿高度分布21层网格节点。边界层内垂直壁面方向布置17个网格节点,壁面第一层网格Y+=0.5。采用三重网格方法加速收敛。