考虑进口温度畸变的涡轮级非定常流动数值仿真.pdf
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1、2024 年 第 45 卷 第 1 期(总第 213 期)Vol.45 No.1 2024(Sum No.213)中 北 大 学 学 报(自然科学版)JOURNAL OF NORTH UNIVERSITY OF CHINA(NATURAL SCIENCE EDITION)考虑进口温度畸变的涡轮级非定常流动数值仿真闫文鑫,王强,谢金耀,徐涛(中北大学 能源与动力工程学院,山西 太原 030051)摘 要:为更好地预测涡轮级非定常流动特征,以准确分析进口温度畸变对下游叶排产生的影响。本文基于有限差分法开发了多级涡轮非定常流动数值求解器,通过试验数据验证其准确性和可行性,利用该求解器针对进口温度畸变
2、进行了单级涡轮非定常流动数值仿真。以某单级高压涡轮作为研究对象,改变进口总温分布条件,设计了在进口总温均匀分布、总温沿径向不均匀分布和涡轮进口存在热斑3种方案下,进口温度畸变对马赫数、叶片热负荷等因素产生的影响,以及高温气流迁移路径的变化规律。结果显示,进口温度畸变对单级涡轮内部流场的影响不大,进口温度径向不均匀分布会导致导叶径向中上部分出现带状高温区域,在60%叶高处的导叶前缘温度最高。这种现象会因热斑的存在而加剧,在同一周期内进口温度畸变不会造成导叶表面最高温值的大幅度变化。主流气体在涡轮流道作加速运动,热斑由椭圆形逐渐变窄,温度降低,在导叶尾缘与脱落涡相互作用,气体受挤压边缘呈现锯齿状。
3、动静交接面后,在动叶前缘和动叶压力面热负荷较为显著,并且在同一周期内进口温度畸变会使动叶表面的最高温值在一定范围内变化,在涡轮流道内进口温度畸变不会使高温气流在径向方向上的发生较大的偏移。关键词:温度畸变;径向分布不均匀;热斑;非定常流动;单级涡轮中图分类号:TK401 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2024.01.007引用格式:闫文鑫,王强,谢金耀,等.考虑进口温度畸变的涡轮级非定常流动数值仿真 J.中北大学学报(自然科学版),2024,45(1):50-57.YAN Wenxin,WANG Qiang,XIE Jinyao,et al.Nume
4、rical simulation of unsteady flow in turbine stage considering inlet temperature distortionJ.Journal of North University of China(Natural Science Edition),2024,45(1):50-57.Numerical Simulation of Unsteady Flow in Turbine Stage Considering Inlet Temperature DistortionYAN Wenxin,WANG Qiang,XIE Jinyao,
5、XU Tao(School of Energy and Power Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)Abstract:In order to better predict the characteristics of the turbine stage non-constant flow and analyse the influence of inlet temperature aberration on the downstream lobe discharge.Taking a single stage
6、 high pressure turbine as the research object,the distribution conditions of total inlet temperature are changed,and the influence of inlet temperature distortion on Mach number,blade heat load and other factors,as well as the change law of high-temperature air migration path are designed under thre
7、e schemes:uniform inlet temperature distribution,radial non-uniform inlet temperature distribution and hot spots at turbine inlet.The results show that the inlet temperature aberration has little effect on the internal flow field of the single-stage turbine,the radial uneven distribution of the inle
8、t temperature will lead to the appearance 文章编号:1673-3193(2024)01-0050-08收稿日期:2023-06-05基金项目:国防科技重点实验室基金资助项目(JCKYS2019603C003)作者简介:闫文鑫(1997-),男,硕士生,主要从事涡轮叶片的数值仿真研究。通信作者:王强(1982-),男,副教授,博士,主要从事气冷涡轮气热耦合研究。Email:。(总第 213 期)考虑进口温度畸变的涡轮级非定常流动数值仿真(闫文鑫等)of a band-shaped high temperature region in the middle
9、 and upper part of the radial direction of the guide vane,and the highest temperature is found in the leading edge of the guide vane at the high point of 60%of the vane,and this phenomenon will be aggravated by the existence of the hot streak,and the inlet temperature aberration will not cause a lar
10、ge-scale change of the highest temperature value of the surface of the guide vane in the same cycle.The main stream gas is accelerated by an elliptical heat spot in the turbine flow path.As the mainstream gas accelerates in the turbine flow path,the heat spot gradually Narrows from elliptical shape
11、and the temperature decreases.After the trailing edge of the guide blade interacts with the shedding vortex,the squeezed edge of the gas presents a zigzag shape.After the static and dynamic interface surface,the heat load is more significant at the leading edge of the moving blade and the pressure s
12、urface of the moving blade.The inlet temperature distortion will not cause the high temperature air flow to deviate greatly in the radial direction.Key words:temperature distortion;non-uniform radial distribution;hot streak;unsteady flow;single-stage turbine航空发动机的研制越来越重视结构的紧凑性及气动性能的效率性,造成叶排间的轴向间隙越来越
13、小,致使叶排间的相互干扰更加严重。由于燃烧室内不均匀掺混使得涡轮进口沿径向与周向分布不均匀,导致燃烧室出口流场与温度都不均匀。涡轮进口局部形成的最高温度可以达到主流温度的两倍左右,这种局部的高温气流被称为热斑。当热斑进入涡轮级后,涡轮级中的非定常流动变得更加严重。动静叶排间的相对运动使冷热气流在涡轮叶栅流道内迁移,导致叶片在特定位置出现局部高温区域,增加了叶片自身的热负荷。因此,深入研究涡轮进口温度畸变对掌握涡轮级非定常流场和温度场的特征变化以及预测各种参数的变化趋势有一定意义,对于通过优化叶型的设计来改善涡轮叶片的温度分布可提供参考,从而提高涡轮叶片的可靠性和使用寿命1-5。学者们从20世纪
14、80年代开始就对热斑现象进行研究。Butler等6和Shang等7通过实验以及理论研究,得出进口热斑的存在不会对涡轮导叶流场产生影响,导叶叶栅的流场只与涡轮进口压力分布有关联。在涡轮进口条件为非均匀总压时,导叶通道内的流场形态才会发生变化,而非均匀的进口总温分布并不会改变导叶通道内的流场。热斑流体进入涡轮转子后主要向叶片压力面迁移,而进入转子中的其他较低温流体主要向叶片吸力面迁移,且迁移至叶片压力面上的热斑流体还具有较强的展向运动趋势。热斑流体在涡轮转子中的迁移行为直接加重了动叶压力面上的热负荷。学者们还针对涡轮进口热斑迁移特性进行了相关研究817。研究发现:进口热斑的引入虽然在涡轮轮毂和机匣
15、处极大地减轻了叶片热负荷,但会在叶片压力面上增加热负荷。涡轮端壁处的热负荷基本不会因为进口热斑时序位置的变化产生影响。叶片压力面的热负荷受热斑时序效应的影响较小,而对叶片吸力面上的热负荷影响较大。当进口热斑正对导叶前缘时,吸力面的热负荷高于无进口热斑工况的热负荷,而进口热斑正对导叶槽道中心时,吸力面的热负荷却低于无进口热斑工况的热负荷。高压涡轮进口热斑是高温燃气的集中区域,特别是在涡轮级环境下,受压力梯度和复杂二次流的影响,热斑的迁移具有显著的非定常特征。因此,无论是动叶和导叶都可能遭受强热负荷。在热斑效应的研究中,热分布及热防护成为设计人员更为关注的问题18。本文对高压涡轮采用非定常数值计算
16、,边界条件的设置以及动静交接面之间数据的交换方式较符合物理过程,能够较好地预测涡轮级的流动特征,对下游叶排可以进行准确地分析。1数值方法1.1计算方法任意曲线坐标系下的RANS控制方程为Ut+E+F+G=1Re()S+Ev+Fv+Gv。(1)采用 AUSM+-up格式的差分格式离散对流项,附加了minmod限制器来保证求解的稳定性与收敛性,限制器的变量依旧使用原始变量,其512024 年第 1 期中 北 大 学 学 报(自然科学版)差分格式的精度达到了三阶,粘性项部分采用中心差分格式进行离散,差分格式的精度为二阶。采用 q-低雷诺数两方程湍流模型封闭RANS方程组,使用LU-SGS隐式求解方法
17、求解离散后的代数方程组,非定常计算采用双时间步法进行。在计算中采用了局部时间步长技术与预处理技术实现加速迭代。多级计算方法,即转静交接面采用滑移网格法求解,通过滑移面法进行转静交接面数据的传递1921。1.2数值方法验证本文选择一个单级高压涡轮作为研究对象,其中涡轮的导叶和动叶数量分别为36和64。为了减少计算量,在程序计算中将导叶和动叶的数量比值简化为1 2,且保持动叶数目不变,故将导叶数目调整为32。表 1 为单级高压涡轮叶片的几何参数22。计算网格采用ICEM划分H-O-H型的多块结构化的六面体网格,对计算域交界叶片的边界层网格进行了加密,近壁面第一层网格的无量纲y+距离小于3。导叶和动
18、叶的计算网格数分别为5.83105和3.45105。计算域网格如图 1 所示。通过自编程序计算得到的等熵马赫数与NASA实验22中透平级冷态实验算例的Hub、ean和Tip作对比,如图 2 所示。可以看出,在导叶中径处的计算结果与实验值吻合得比较好,最大偏差不超过5%。在根部与顶部有些偏差,这主要是由于无法知道来流实际附面层厚度作为计算的进口条件所带来的影响,以及选取计算结果的位置与实验测得的位置有一定的偏差造成的23。通过与实验数据对比,可以验证程序的可行性。2数值仿真与结果分析2.1计算方案本文分别针对进口总温均匀分布(方案)、总温沿径向不均匀分布(方案)和涡轮进口存在热斑(方案)3种分布
19、方式展开研究,后两种方案的总温分布如图 3 所示。(a)导叶流道网格(b)动叶流道网格图 1计算域网格Fig.1Calculation domain grid表 1涡轮叶片的几何参数Tab.1Geometric parameters of turbine blades参数平均直径叶高轴向弦长前缘半径后缘半径导叶/mm469.938.138.12.546.35动叶/mm469.938.134.291.9056.35(b)Mean(c)Tip图2导叶表面等熵马赫数分布曲线Fig.2Isentropic Mach number distribution curve on guide vane sur
20、face(a)Hub52(总第 213 期)考虑进口温度畸变的涡轮级非定常流动数值仿真(闫文鑫等)前两种方案的平均总温相等,而第3种方案在总温沿径向不均匀分布(方案)的基础上添加了热斑。方案中,总温在径向方向上按正弦曲线分布,60%叶高处温度最高,总温值向两端壁逐渐减小,在叶根端壁处温度最低。涡轮进口存在热斑,按照热斑数与导叶通道数 11 进行分配,最高温度在60%叶高处。热斑在径向方向上长度约占进口径向高度的 1/3,形状为椭圆形,总温值由热斑核心向四周温度逐渐减小,热斑内总温分布也为正弦分布,其最高温度是周围环境温度的1.3倍,是最低温的1.8倍。设置动叶转过两个通道为一个周期,每个周期划
21、分为30个物理时间步长。通过计算得到物理时间步长为7.734 2106 s。为了便于对比分析进口温度畸变带来的影响,除了进口温度分布不同,3种方案进口都是轴向进气,总压和进口气流角均一致,给定出口静压,表 2 为不同方案涡轮设计运行条件。2.2流场马赫数的变化叶栅出口马赫数特性是叶栅气动特性的重要组成部分。在特定情况下,流场马赫数会导致气动损失成为叶型损失的主要来源之一。图 4 显示了3种方案导叶出口径向马赫数分布情况,其最大偏差低于1%。可见,涡轮进口温度的变化以及热斑的引入对导叶出口马赫数的影响不大。在整个导叶出口区域,轮毂、机匣端壁部分的出口马赫数最小,而中径部分的出口马赫数大多接近1。
22、图 5 和图 6 分别给出了3种方案下高压导叶和动叶流道在60%叶高处的马赫数云图。通过对比可以看出,涡轮进口温度的径向不均匀分布以及热斑的存在对单级涡轮流场马赫数分布的影响很小,即涡轮进口温度的变化对单级涡轮内部流场的影响不显著。2.3高压涡轮叶片热负荷影响图 7 展示了不同时刻,60%叶高的3种方案温度对比结果。可以看出,导叶前缘处温度最高,而在60%叶高处的温度分布趋势则相似,从前缘到尾缘处温度逐渐降低,在尾缘处温度存在动荡,归因于局部的分离漩涡流动。由图 8 可知,在方案中,导叶压力面温度在径向分布上比较均匀,最高温集中在导叶前缘部分,最高温为0.86。方案中,60%叶高处温表 2不同
23、方案涡轮设计运行条件Tab.2Turbine design operating conditions for different scenarios方案方案方案方案进口总温/K均匀分布(288.2)径向分布不均匀(238.2328.2)热斑(238.3438.1)进口总压/Pa101 300101 300101 300转速/(rmin-1)8 0818 0818 081出口背压/Pa22 00022 00022 000图5导叶流道马赫数分布Fig.5Mach number distribution of the guide vane flow path图6动叶流道马赫数分布Fig.6Mach
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